1. Производство стали в электрических печах

В электрических печах можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов незначительные.

В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.

Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах.

Мощные электрические печи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в них получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо вводить в сталь для легирования и раскисления.

2. Дуговые печи

Первая дуговая электропечь была установлена в России.

Устройство печи. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током, нагрев и плавление металла – электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине.

Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей с металлом.

Электрододержатели служат для подвода тока к электродам и для зажима электродов. Головки электрододержателей делают из бронзы или стали и охлаждают водой, поскольку они сильно нагреваются как теплом из печи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление.

В настоящее время наиболее распространен пружиннопневматический электрододержатель. Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Отжатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха.

Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Подвижная стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую конструкцию, которая находится на платформе опорной люльки печи в состоянии покоя до включения. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противовесов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств.

Механизмы перемещения электродов должны обеспечить быстрый их подъем в случае обвала шихты в процессе плавления, а также плавное опускание во избежание их погружения в металл или ударов о нерасплавившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5–6,0 м/мин, скорость опускания 1,0–2,0 м/мин.

Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий металл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол 80°. При этом электроды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для поворота корпуса печи приподнимают свод, поднимают электроды выше уровня шихты и поворачивают корпус при помощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.

Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. В малых электропечах используют угольные электроды, в крупных – графитированные. Графитированные электроды изготовляют из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, песка. Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в газовых печах при температуре 1300 °C и подвергается дополнительному графитирующему обжигу при температуре 2600–2800 °C в электрических печах сопротивления. В процессе эксплуатации в результате окисления печными газами и распыления при горении дуги электроды сгорают.

По мере укорочения электрод опускают в печь. При этом электрододержатель приближается к своду. Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживать дугу, и его необходимо наращивать. Для наращивания электродов в концах секций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции. Расход электродов составляет 5–9 кг/т выплавляемой стали.

Электрическая дуга – один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизированные газы, пары металлов. При кратковременном сближении электродов с шихтой или друг с другом возникает короткое замыкание. Идет ток большой силы, концы электродов раскаляются добела. При раздвигании электродов между ними возникает электрическая дуга. С раскаленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положительные – к катоду. Пространство между анодом и катодом становится ионизированным, токопроводящим. Бомбардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев. Температура анода может достигать 4000 °C. Дуга может гореть на постоянном и на переменном токе. Электродуговые печи работают на переменном токе. В Германии построена электродуговая печь на постоянном токе.

В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температуры недостаточно для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспокойно, прерывисто. После того как ванна покроется слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно.

Электрооборудование. Рабочее напряжение дуговых печей составляет 100–800 В, а сила тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50–140 МВ ∙ А. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким напряжением питаются первичные обмотки печных трансформаторов.

В электрооборудование дуговой печи входят следующие приборы, предназначенные для проведения ремонтных работ на печи.

1. Воздушный разъединитель – предназначен для отключения всей электропечной установки от линии высокого напряжения вовремя.
2. Главный автоматический выключатель – служит для отключения под нагрузкой электрической цепи, по которой протекает ток высокого напряжения. При неплотной укладке шихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво, происходят обвалы шихты и возникают короткие замыкания между электродами. При этом сила тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформатора, который может выйти из строя. Когда сила тока превышает установленный предел, выключатель автоматически отключает установку по сигналу реле максимальной силы тока.
3. Печной трансформатор – необходим для преобразования высокого напряжения в низкое (с 6–10 кВ до 100–800 В). Обмотки высокого и низкого напряжения и магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются в баке с маслом, служащим для охлаждения обмоток. Охлаждение создается принудительным перекачиванием масла из трансформаторного кожуха в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформатор устанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеет устройство, позволяющее переключать обмотки по ступеням и таким образом ступенчато регулировать подаваемое в печь напряжение. Так, трансформатор для 200-тонной отечественной печи мощностью 65 МВ ∙ А имеет 23 ступени натяжения, которые переключаются под нагрузкой, без отключения печи.

Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помощи гибких водоохлаждаемых кабелей подают напряжение на электрододержатель. Длина гибкого участка должна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединяются с медными водоохлаждаемыми шинами, установленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододержателя, зажимающей электрод.

Кроме указанных основных узлов, в электрическую сеть входят различная измерительная аппаратура, подсоединяемая к линиям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процесса плавки.

Автоматическое регулирование. По ходу плавки в электродуговую печь требуется подавать различное количество энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы тока дуги. Регулирование напряжения производится переключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния между электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производится автоматически при помощи автоматических регуляторов, установленных на каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может быть установлена на весь период плавки.

Устройство для электромагнитного перемешивания металла. Для перемешивания металла в крупных дуговых печах, для ускорения и облегчения проведения технологических операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, которая охлаждается водой или сжатым воздухом.

Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низкой частоты, что создает бегущее магнитное поле, которое захватывает ванну жидкого металла и вызывает движение нижних слоев металла вдоль подины печи в направлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение либо в сторону рабочего окна, что облегчит выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих сталей и раскислителей, усреднению состава металла и его температуры.

3. Электрические печи сопротивления

Электрические печи сопротивления применяются для плавки всех легкоплавких припоев и припоев на алюминиевой и магниевой основах.

Удельное сопротивление зависит от температуры различных проводников-нагревателей.

Электрические печи сопротивления представляют собой теплоизолированное пространство с нагревательными элементами для преобразования электроэнергии в тепло.

Конструкция электропечей сопротивления весьма разнообразна. В зависимости от формы рабочего пространства они бывают камерные, шахтные, колпаковые, конвейерные, рольганговые, барабанные, карусельные, протяжные. Электрические печи сопротивления мощностью до 10–80 кВт обычно однофазные, а при большей мощности – трехфазные.

В зависимости от формы рабочей зоны электрические печи сопротивления разделяются на трубчатые, тигельные и муфельные. Они выполняются либо с металлическими нагревательными элементами, изготовляемыми из различных жароупорных сплавов в виде проволоки и ленты, либо с карборундовыми, угольными или графитовыми нагревательными элементами.

Электрические печи сопротивления применяют чаще для нагрева цветных металлов и сплавов, реже – для нагрева стали, так как, например, температурный интервал штамповки алюминия находится в пределах 400–475 °С.

Электрические печи сопротивления ежедневно осматриваются обслуживающим персоналом. При этом обращают внимание на состояние всех частей электропечи и смазку механизмов, одновременно производят ее очистку от пыли и грязи.

Электрические печи сопротивления являются самыми массовыми электропечами; установленные мощности отдельных печей достигают сотен или даже тысяч киловатт, поэтому вопросы рациональной эксплуатации электропечей этого класса имеют большое значение с точки зрения экономии электроэнергии и снижения себестоимости продукции.

Электрическая тигельная печь сопротивления состоит из металлического кожуха цилиндрической формы с донышком и съемным колпаком для удаления газов. Внутри кожуха имеется футеровка из нормального и фасонного шамотного кирпича. Зазор, оставляемый между футеровкой и кожухом, заполняют теплоизоляционными материалами.

Плавление металла происходит в чугунном тигле, установленном в рабочем пространстве печи. Верхние приливы тигля опираются на металлическую плиту, уложенную на футеровку. Сверху тигель закрывается крышкой, через отверстие в которой пропускается термопара. Нагрев металла в тигле до температуры 850–1000 °С производят с помощью электрических нихромовых нагревателей, уложенных на выступы шамотной футеровки. В нижней части печи на уровне пода имеется отверстие для выпуска жидкого металла в случае прогара тигля.

Электрическая тигельная печь сопротивления является дорогим устройством, поэтому целесообразно увеличить по возможности срок ее службы. Этому способствуют тщательный уход за электропечами и своевременный их ремонт.

Электрическая тигельная печь сопротивления для прокатки металла представляет собой керамическую трубу с нагревателем из особого сплава. Верхнюю часть трубы нагревателя закрывают специальным стаканом. Контроль за температурой печи производят с помощью термопары. Напряжение питания печи регулируется трансформатором, который служит одновременно противовесом в подъемном механизме печи.

Электрические печи сопротивления аналогично пламенным делятся на печи проходного и непроходного типа. Нагрев заготовок из цветных сплавов осуществляют в печах с металлическими нагревателями, работающими при температуре до 900–950 °С. Эти печи применяют также для термической обработки поковок.

Электрические печи сопротивления, особенно тигельные и отражательные, находят широкое применение для плавки алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Однако эти печи имеют низкую производительность и невысокий тепловой КПД. Температура нагрева в печи находится в пределах 900–1100 °С.

Электрические печи сопротивления и различного рода электронагреватели подключают к силовой сети либо непосредственно, либо через трансформаторы. Последние делают возможным многоступенчатое или плавное регулирование подводимой мощности в определенных пределах.

Неблагоприятной для силовой сети особенностью некоторых достаточно мощных печей является регулирование их мощности путем переключения нагревателей со звезды на последовательное соединение, что вызывает периодическую асимметрию в нагрузке фаз сети.

Камерные электропечи сопротивления с ленточными нагревателями, применяемые для нагрева металла, делят на две группы: печи прямого нагрева и печи косвенного нагрева. Они подключаются непосредственно к цеховой электросети или получают питание от специальных трансформаторов.

Электрические печи сопротивления с температурой в рабочем пространстве выше 900–1000 °С целесообразно переводить на газ, поскольку газовые печи обеспечивают быстрый подъем температуры и низкую стоимость тепловой энергии. При переводе на газ упрощается эксплуатация печи, поэтому обслуживание и ремонт ее могут осуществлять менее квалифицированные рабочие.

Электрические печи сопротивления камерные, стационарные применяются для плавки алюминиевых сплавов.

Электрические печи сопротивления имеют специальные элементы, которые при прохождении тока нагреваются и создают соответствующую температуру в рабочем пространстве печи для нагрева заготовок. Элементы сопротивления расположены на своде и вдоль стенок печи.

Электрическая печь сопротивления как объект регулирования обычно характеризуется большой тепловой инерцией, обусловленной большой тепловой емкостью нагревательных элементов, теплоизоляции и других конструктивных элементов. Часто значительной тепловой емкостью обладают и нагреваемые изделия. Поэтому температура печи изменяется сравнительно медленно, и для поддержания постоянной температуры не требуется соответствия между поступающей в печь и потребляемой ею мощностью для каждого момента времени. Достаточно, если это соответствие выполняется для средних значений мощностей за длительный промежуток времени. Это значительно упрощает систему регулирования температуры, позволяя во многих случаях отказаться от непрерывного регулирования и применять простейшее двухпозиционное регулирование с исполнительным устройством в виде контактора.

Электрические печи сопротивления служат для нагрева деталей и заготовок и позволяют точно регулировать температуру и равномерность нагрева металла. Они предназначены для качественной обработки стали (закалки, отжига, цементация, нитрирования), цветных металлов и различных сплавов. Электрические печи сопротивления имеют коэффициент мощности, практически равный единице, и будучи обычно установлены целыми группами, создают достаточно равномерную нагрузку на шинах электроподстанции.

Электрические печи сопротивления рекомендуется раз в год окрашивать алюминиевой краской. Эта мера снижает тепловые потери печи на 2–4 % и придает ей более опрятный вид.

Камерные электропечи сопротивления с выдвижным подом по конструкции похожи на пламенные, но вместо горелок внутри рабочего пространства установлены нагревательные элементы, через которые пропускают электрический ток.

Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого и косвенного нагрева. Электрические печи прямого нагрева применяются в химическом производстве для обеспечения некоторых химико-термических процессов (графитации угольных электродов, производства карборунда, сероуглерода, варки стекла) и в других отраслях промышленности: при ковке, высадке, закалке деталей или изделий, используются при разогреве замерзших труб, грунта.

Электрические печи сопротивления конвейерные с камерой охлаждения (двухкамерные) ОКБ-765, ОКБ-720, ОКБ-715, ОКБ-700, ОКБ-615, ОКБ-557 и ОКБ-565 относятся к методическим печам с непрерывным движением обрабатываемых изделий и предназначены для нагрева стальных (и других) изделий с последующим охлаждением.

Конвейерная электропечь ОКБ-565 предназначена для работы в автоматической линии. Нормальная работа обеспечивается при установке их в сухих закрытых помещениях, в воздухе которых не содержится паров кислот и других разъедающих веществ.

Электрические печи сопротивления имеют ряд преимуществ, к числу которых относятся наиболее простая схема автоматизации поддержания заданной температуры в пределах 3–5 °С, отсутствие дымососных систем, простота включения и остановки.

Электрические печи сопротивления прямого нагрева широко применяют для варки листового, тарного, сортового, технического стекла.

Графитированные электрические печи сопротивления прямого нагрева относятся к однофазным электрическим печам. Нагреваемый графитируемый материал включен в электрическую цепь, по которой протекает электрический ток, благодаря чему материал нагревается до высокой температуры, достигающей 2500–3000 °С. На основание печи, представляющее собой подину, засыпается пересыпка из смеси углеродистых материалов и песка, на которую между токоведущими электродами укладываются изделия, подлежащие графитации. Смесь углеродистых материалов и песка засыпается в боковые промежутки между изделиями и электродами, образуя цепь для прохождения тока между токоведущими электродами. Пространство между боковыми стенками, верхом и загруженными изделиями заполняется теплоизоляционной шихтой.

Для электрических печей сопротивления данного типа требуется понижение напряжения до 2–10 В при прямом либо до 380/220 В при косвенном нагреве. Этим обеспечивается возможность изменения напряжения в широких пределах: 5–17 или 30–200 В.

Футеровка электрических печей сопротивления выполняется такой толщины, которая обеспечивает минимальный расход электроэнергии на компенсацию тепловых потерь и в то же время не слишком повышает ее стоимость и потери тепла на аккумуляцию при разогреве.

Футеровка обычно состоит из двух частей: огнеупорной кладки и теплоизоляции. Огнеупорная кладка, выполняемая из нормальных кирпичей, фасонного огнеупора и специальной керамики, образует заданную по форме и размерам печную камеру, в которой размещаются нагреваемая загрузка со вспомогательными поддерживающими и транспортными устройствами, а также нагревательные элементы.

Для однозонной электрической печи сопротивления садочного типа за период нагрева изделий средняя потребляемая мощность изменяется в пределах от номинальной мощности до мощности, идущей на покрытие тепловых потерь.

Для электрических печей сопротивления прямого нагрева непрерывного действия с расплавлением шихты рекомендуется при их автоматизации отказаться от регулирования процесса за счет изменения мощности печи и в качестве управляющего воздействия использовать изменение производительности питателя печи сырьем. При этом достигается максимальное использование установленной мощности оборудования. При обработке твердой шихты в качестве управляющего воздействия нужно использовать скорость выгрузки обработанного материала.

К электрическим печам сопротивления периодического действия относятся камерные, шахтные и толкательные печи. Электрические печи сопротивления косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией (рис. 1).

Рис. 1. Электрическая печь сопротивления косвенного действия: 1 – обогреваемый аппарат; 2 – футеровка печи; 3 – тепловая изоляция; 4 – спиральные нагревательные элементы; 5 – выводные электрошины

В таких печах осуществляется нагревание до температур 1000–1100 °С. Футеровка печи 2 выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элементы 4, к которым подводится ток через электрошины 5. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция 3 уменьшает потери тепла в окружающую среду.

Нагревательные элементы печей изготовляют из проволоки либо из ленты нихрома (сплав, содержащий 20 % Сг, 30–80 % Ni и 0,5–50 % Fe) или хромо-железоалюминиевых сплавов. Диаметр проволоки обычно 3–7 мм; в применяемых лентах отношение толщины к ширине 0,05–0,2.

Принципиальная электрическая схема печи сопротивления представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема управления печью сопротивления: АТ – автотрансформатор трехфазный для питания нагревателя цепи; АД с ЭМТ – асинхронный двигатель с электромагнитным термометром для подъема и опускания двери камеры; КП, КО – контакторы подъема и опускания двери камеры; ВКП, ВКО – выключатели конечные поднятого и опущенного состояния двери; КЛ – контактор линейный; РП – реле промежуточное для коммутации КЛ; ДТ – датчик температуры печи; УП – переключатель режима; ПТК – прибор контроля; Кн.П, Кн.О, Кн.С – кнопки «Подъем», «Опускание», «Стоп» двери. Режимы работы: автоматический (основной от ПТК) и ручной (резервный от УП)

4. Индукционные печи

Одной из составляющих индукционного механизма является индукционная печь – устройство, которое используется в целях расплавки или нагрева металла.

В индукционную печь входят прибор для получения переменного тока, система вакуума и устройство для перемены положения либо передвижения нагреваемых элементов.

Индукционная тигельная печь (ИТП), известная также как индукционная печь без сердечника, – это не что иное, как плавильный тигель, размещенный во внутреннем пустом пространстве индуктора. Последний подсоединяется к источнику тока переменного напряжения. Тигель чаще всего имеет форму цилиндра, туда помещается шихта из металла, которая плавится благодаря поглощению электромагнитной энергии.

Индукционные печи обладают многими преимуществами. Среди них можно отметить испускание энергии непосредственно при загрузке при отсутствии промежуточных нагревательных элементов. В печи индукционного нагрева возможно создание нейтральной либо окислительно-восстановительной среды при регулируемом давлении. В зависимости от того, протекает ли плавка стали в индукционных печах в воздушном пространстве либо в защищенных условиях, печи бывают открытые, вакуумные индукционные и компрессорные.

Принцип работы индукционной печи. В тигле происходит усиленное движение смеси по кругу, дающее скорое расплавление мелкого материала и ровную температуру во всем объеме, что обеспечивает создание однородных в химическом отношении сплавов, состоящих из множества компонентов.

Особенности конструкции позволяют классифицировать индукционные печи на устройства тиглем из керамики, металла – проводящим либо водоохлаждаемым, а также тиглем из графита. Высокие значения удельной мощности дают хорошую производительность выплавки стали, меди или чугуна в индукционной печи. Из тигля можно слить металл полностью, а небольшая масса облицовки (футеровки) дает основания для уменьшения тепловой инерции из-за снижения количества тепла, которое аккумулируется в футеровке.

Индукционные плавильные тигельные печи подходят для эксплуатации с паузами между плавками и позволяют быстро сменить одну марку сплава на другую. По организации процесса плавки во времени индукционные печи бывают периодического, полупериодического и непрерывного действия.

Устройство индукционной печи гарантирует удобство в обращении и обслуживании, простоту регулирования процесса выплавки, многочисленные варианты автоматизации процессов.

Что касается недостатков индукционных печей для плавки чугуна и меди, то здесь нужно указать относительно невысокую температуру шлаков, которые наводятся на зеркало расплава для его обработки. Принцип работы индукционной печи заключается в том, что шлак греется от металла, и поэтому его температура ниже. Однако в сравнении с другими устройствами для плавки достоинства индукционной плавильной печи настолько значительны, что они применяются в разных сферах народного хозяйства, например, существуют индукционные бытовые печи и индукционные печи для ювелиров.

Нагревание в индукционных печах осуществляется индукционными токами (рис. 3). Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата ЭДС. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата. Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема индукционной печи: 1 – обогреваемый аппарат; 2 – соленоид

Диэлектрическое нагревание токами высокой частоты применяется при нагревании диэлектриков (пластмасс, резины, дерева и др.).

Нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора. Под действием переменного электрического тока молекулы диэлектрика колеблются со скоростью, соответствующей частоте электрического поля, при этом в результате внутреннего трения между молекулами выделяется тепло. Количество выделяющегося тепла пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно нагревание ведут токами высокой частоты (0,5∙10⁶—10,0∙10⁶ Гц) при напряженности электрического поля 1000–2000 В/см. Для получения токов высокой частоты пользуются ламповыми генераторами.

Диэлектрическое нагревание отличается большими преимуществами: непосредственное выделение тепла во всей толщине нагреваемого материала (обеспечивается равномерный прогрев обрабатываемого материала); большая скорость нагревания; возможность нагревания только отдельных частей материала; легкость регулирования процесса нагревания и возможность его полной автоматизации.

Преимущества индукционной печи:

• получение максимально чистого сплава благодаря отсутствию источников загрязнения. Поглощение водорода металлом на 40 % меньше, чем в дуговых электропечах;
• получение однородного сплава и равномерного химического состава ванны вследствие перемешивания, вызванного электродинамическими усилиями. Перемешивание облегчает протекание реакций между металлом и шлаком;
• высокий КПД печи;
• небольшая занимаемая площадь печи вследствие малых габаритов;
• широкое регулирование мощности и температуры;
• отсутствие расхода на электроды.

5. Индукционная плавильная тигельная печь типа ИАТ-2,5М1

Индукционная плавильная тигельная печь ИАТ-2,5М1 предназначена для плавки и перегрева алюминия.

Условные обозначения печи ИАТ-2,5М1: И – вид нагрева – индукционный; А – основной выплавляемый материал – алюминий; Т – основной конструктивный признак – тигельная; 2,5 – номинальная емкость, т; M1 – порядковый номер исполнения.

Условия эксплуатации:

• температура окружающей среды 5–40 °С; относительная влажность окружающей среды при температуре 20 °С до 90 %, при температуре 40 °С до 50 %;
• окружающая среда невзрывоопасная; не допускается передача на электропечь резких толчков и вибраций.

Техническая характеристика индукционной плавильной тигельной печи типа ИАТ-2,5М1

Параметр	Данные
Мощность установленная, кВ∙А	1000
Мощность потребляемая, кВт	740
Емкость номинальная, т	2,5
Частота тока, Гц	50
Число фаз питающей сети	1
Номинальное напряжение, В: питающей сети на индукторе	6000 или 10 000 1000
Температура перегрева металла, °С	750
Производительность по расплавлению и перегреву, т/ч	1,41
Удельный расход электроэнергии на расплавление и перегрев, кВт∙ч/т	575
Масса металлоконструкций электропечи, т	19,6
Масса электропечи (комплекса), т	39,91
Расход охлаждающей воды, м3/ч	3,7

При определении фактической производительности потребителю необходимо учитывать в каждом конкретном случае технологию ведения плавки, вид шихты, способ загрузки ее в электропечь, время, необходимое на технологические операции (введение легирующих присадок, рафинировка, слив металла, чистка тигля электропечи, профилактический ремонт и другие операции).

Электропечь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемая катушка-индуктор, вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой — находящийся в тигле металл.

Нагрев и расплавление металла происходят за счет протекающих в нем токов, которые возникают под воздействием электромагнитного поля, создаваемого индуктором. При этом возникают также электродинамические силы, которые создают интенсивное перемешивание металла, обеспечивающее равномерность температуры и однородность расплавленного металла.

Индукционная плавильная тигельная печь ИАТ-2,5М1 состоит из собственно электропечи и комплекта оборудования, необходимого для ее работы. Электропечь имеет кожух, в котором крепится установка индуктора, быстросъемный плавильный узел, состоящий из индуктора и магнитопроводов, футеровки подины, набивного тигля и верхнего футерованного пояса-воротника. Плавильный узел извлекается краном, предварительно ослабив крепежные винты на кожухе электропечи. Опорная рама устанавливается на пол цеха и крепится к нему с помощью фундаментных болтов.

Наклон кожуха электропечи вместе с закрепленной в нем «установкой индуктора», рабочей площадкой, крышкой осуществляется с помощью двух плунжеров. Индуктор представляет собой многовитковую водоохлаждаемую катушку, выполненную из трубки специального профиля.

Для защиты металлоконструкции печи от полей рассеяния индуктор окружен снаружи магнитопроводами, набранными из листов трансформаторной стали. Тигель электропечи закрывается бетонированной крышкой.

Электроэнергия подается гибкими водоохлаждаемыми кабелями, подвод воды — резинотканевыми рукавами с быстроразъемными соединениями. Тигли печей для плавки алюминия изготовляются из жаростойкого бетона способом набивки. Средняя стойкость футеровки тигля достигает 12 и более месяцев и зависит от режима работы печи (плавка ведется с полным сливом металла, при этом тигель испытывает частые теплосмены, или с остаточной емкостью) и от культуры обслуживания — способа загрузки, периодической чистки, мелкого ремонта и качества изготовления тигля, а также от соблюдения технологического режима обжиговой плавки и др. Печь питается от сети высокого напряжения через специальный печной трансформатор.

Мощность электропечи регулируется переключением ступеней напряжения трансформатора вручную со щита управления.

Установка электропечи и комплектующего оборудования (рис. 4) выполняется по проекту.

Рис. 4. Габариты, установочные размеры и рекомендуемое размещение комплектующего оборудования электропечи ИАТ-2,5М1: 1 – электропечь ИАТ-2,5М1; 2 – пульт управления; 3 – установка маслонапорная; 4 – панель гидравлическая; 5 – панель управления; 6 – шкаф управления ШОТ; 7 – щит управления; 8 – блок управления БУМС-3-5И2; 9 – шкаф водоохлаждения; 10 – блок конденсаторов; 11, 12, 15 – панели с аппаратурой; 13 – трансформатор печной; 14 – панель с контакторами; 16 – комплектное распределительное устройство; 17 – устройство комплектное питания