ИНДУКЦИОННАЯ ТИГЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ-ТЕРМОС Российский патент 2003 года по МПК F27B14/08 F27D11/06 

Изобретение относится к металлургии, а именно к тигельным индукционным печам для плавки и испарения цветных и черных металлов и неэлектропроводных материалов, шлаков для варки эмалей, стекла и других веществ. Предлагаемая печь позволяет изготавливать (сушить и обжигать) шамотные и графитовые тигли и может быть использована для выращивания и очистки кристаллов, например кремния, германия.

Известна индукционная тигельная печь, содержащая индуктор и тигель, изготовленный из огнеупорных материалов, внутри которого свободно установлен графитовый нагревательный элемент, причем нагревательный элемент выполнен в виде полого цилиндра без дна с внутренним и внешним диаметрами, равными соответственно 0,4-0,6 и 0,9-0,95 от внутреннего диаметра тигля, кроме того, высота полого цилиндра составляет 0,8-1,5 высоты тигля (Авт. св. СССР 1091005, МПК F 27 B 14/10 - аналог).

Описанное устройство имеет следующие недостатки:
- ограничение сферы применения графитового нагревательного элемента, поскольку при высокой температуре возможны химические реакции между материалом в тигле и графитом нагревательного элемента;
- технологические неудобства, связанные с обязательным удалением нагревательного элемента из тигля;
- водяное охлаждение индуктора;
- недостаточная безопасность работы печи, т.к. образование трещин в тигле может привести к тому, что расплавленный металл из тигля дойдет до водоохлаждаемого индуктора, нарушит его герметичность, что приведет к образованию парового взрыва.

Известна также индукционная тигельная печь, состоящая из огнеупорного тигля, индукционной катушки (индуктора) с водяным охлаждением, расположенной вокруг тигля, стального корпуса печи, магнитопроводов, подины, сигнализатора износа (проедания) тигля, огнеупорного покрытия (обмазки), футеровки (Caсca B. C. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр.5, 6, 7 - прототип).

Прототип имеет следующие недостатки:
- недостаточная безопасность печи, т.к. образование трещин в тигле может привести к тому, что расплавленный металл из тигля дойдет до водоохлаждаемого индуктора, что приведет к образованию парового взрыва;
- в качестве источника питания используется трансформатор, что делает печь стационарной, дорогой, громоздкой (занимающей большую площадь);
- для улучшения процесса плавки необходима разгонная чушка (калоша), которая должна иметь форму, повторяющую форму тигля;
- индуктор расположен на футеровке, что приводит к соприкосновению нагретой футеровки с водоохлаждаемой катушкой индуктора и, как следствие, уносу тепла, от тигля;
- печь рассчитана, как правило, на плавление какого-то одного металла, т.е. не является универсальной.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании индукционной тигельной печи, лишенной недостатков прототипа, а именно в создании конструкции печи, обеспечивающей безопасность ее работы, повышение производительности, многофункциональности и универсальности.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в снижении тепловых потерь за счет выполнения индуктора с воздушным охлаждением и подбора материала футеровки, что обеспечивает безопасность работы печи и повышает экономичность ее работы.

Поставленная задача достигается тем, что в индукционной тигельной печи, содержащей тигель, индуктор, футеровку, подину, крышку, боковая футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, а индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за боковой футеровкой, не соприкасаясь с ней.

Кроме того, индукционная тигельная печь дополнительно содержит съемный электропроводящий цилиндр, расположенный между тиглем и футеровкой, причем высота цилиндра сравнима с высотой индуктора, а цилиндр выполнен из стали.

Помимо этого, индуктор выполнен с принудительным воздушным охлаждением; футеровка собрана из кирпичей-блоков насухо без обмазки; футеровка выполнена из облегченного пористого шамота; индукционная тигельная печь расположена горизонтально; индукционная тигельная печь выполнена передвижной; индукционная тигельная печь выполнена с возможностью демонтажа; индукционная тигельная печь дополнительно содержит блок управления; индукционная тигельная печь выполнена с переворотным устройством; крышка индукционной тигельной печи выполнена с механизмом поворота и технологическими отверстиями.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой плавильной индукционной тигельной печи; на фиг.2 - подключение индуктора печи от источника напряжения 2 Ф • 380 В • 50 Гц; фиг.3 - подключение индуктора печи от высокочастотного генератора (ВЧГ).

Тигельная индукционная печь содержит тигель 1, который может быть выполнен из различных огнеупорных материалов, например из керамики, металла, шамота, графита, или набивным из шамота или графитсодержащей массы; боковую футеровку 2, изготовленную из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, которая может быть собрана насухо без обмазки из кирпичей-блоков, например легкого пористого шамота; индуктор 3, расположенный за футеровкой и не соприкасающийся с ней и имеющий воздушное охлаждение (естественное или принудительное); подину 4; крышку 5 с механизмом поворота и технологическими отверстиями для наблюдения, взятия проб и измерения температуры; футеровка подины и крышки также выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, например, из легкого пористого шамота; цилиндр 6, расположенный вокруг тигля и выполненный из электропроводного материала, например стали. Материал, из которого изготовлен цилиндр 6, должен достаточно быстро нагреваться под действием протекающего по нему вихревого электрического тока и, следовательно, выделять тепловую энергию для разогрева тигля. Блок управления (БУ) (фиг.2) с батареей согласующих конденсаторов (выполняют компенсационную роль) осуществляет контроль за заданным технологическим процессом: следит за температурой металла в тигле, автоматически поддерживает заданную температуру, включает и выключает индуктор. Переворотное устройство печи для разлива металла и несущая стальная конструкция печи для крепления переворотного устройства на чертеже не показаны. Возможно использование индукционной тигельной печи с питанием от высокочастотного генератора (ВЧГ) (фиг.3), а также от дизель-генератора для работы в полевых условиях.

Работа плавильной индукционной тигельной печи осуществляется следующим образом.

Тигель 1 заполняется материалом, например металлом, подлежащим плавке, и закрывается крышкой 5. С помощью блока управления (БУ) задается необходимый режим работы индуктора 3. На индуктор 3 от блока управления подается переменное напряжение промышленной частоты. На фиг.2 показана индукционная тигельная печь с подключением индуктора от сети 2 Ф • 380 В • 50 Гц. На фиг.3 - печь с подключением индуктора от высокочастотного генератора (ВЧГ) с рабочим диапазоном частот 5-500 кГц. Высокочастотный генератор работает напрямую от сети 3 Ф • 380 В • 50 Гц. В переменном электромагнитном поле индуктора 3 в металле, находящемся в тигле 1, индуцируется нагревающий его электрический вихревой ток.

Конструкция печи обеспечивает быстрый нагрев шихты и длительное сохранение тепла по двум причинам. Во-первых, выполнение боковой футеровки 2, подины 4 и крышки 5 из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, например из облегченного пористого шамота, превращает индукционную тигельную плавильную печь в печь-термос, обеспечивающую длительное поддержание нужной температуры. Во-вторых, зазор между индуктором и футеровкой обеспечивает естественное воздушное охлаждение индуктора. Охлаждение может быть и принудительным. Воздушное охлаждение индуктора делает ненужным применение водяного охлаждения, при котором возможно образование парового взрыва в случае утечки металла из тигля и его контакта с водоохлаждаемым индуктором. Таким образом, воздушное охлаждение обеспечивает взрывобезопасность печи.

Расположение индуктора за футеровкой, окружающей тигель, а не возле тигля приводит к существенному снижению тепловых нагрузок на него, что позволяет эксплуатировать индуктор в нормальных тепловых условиях. Это повышает надежность работы индуктора и увеличивает срок его службы. Кроме этого, в данном случае нагрев индуктора происходит только за счет внутреннего омического нагрева протекающим через него током и поэтому требуется значительно меньшая мощность системы воздушного охлаждения.

После завершения рабочего процесса крышка 5 отодвигается в сторону и расплавленный материал сливается из тигля 1 путем наклона всей печи с помощью переворотного устройства. Металл может черпаться из тигля, в этом случае переворотное устройство не обязательно.

Таким образом, перечисленные существенные признаки превращают индукционную тигельную печь в печь-термос, способную долго поддерживать необходимую температуру.

Предлагаемая конструкция печи-термоса позволяет легко набирать температуру в тигле до 2000^oС и выше вплоть до разрушения и испарения огнеупорных материалов при потреблении электроэнергии, намного меньшей по сравнению с классическими печами, имеющими водоохлаждаемый индуктор: в печах с водоохлаждаемым индуктором температурный баланс и верхний предел температуры в тигле определяется количеством тепла, уносимого водой.

При внутреннем объеме тигля 300 дм³ и температуре в нем 1200^oС тепловой КПД печи достигает 90%. Мощность тепловых потерь печи при температуре тигля 1000^oС не более 3 кВт. В аналогах (см., например, Индукционные тигельные печи для плавки и выдержки чугуна. М.: Информэлектро, 1974 г., с.7) для печи ИЧТ-2,5 мощность тепловых потерь составит 112 кВт.

Температура поверхности предлагаемой индукционной тигельной печи порядка 60-70^oC.

Производительность предлагаемой печи:
- по алюминию 3,4 кг на 1 кВт • ч;
- по меди 5,1 кг на 1 кВт • ч;
- по стали 3,9 кг на 1 кВт • ч.

Приведенные данные получены в ходе эксплуатации индукционных печей.

Индуктор печи работает напрямую без понижающего трансформатора от сети 2 Ф • 380 В (1 Ф • 220 В)•50 Гц или от переменного напряжения частотой 5-500 кГц, поданного от высокочастотного генератора. Конструкции индукторов для частот 50 Гц и 5-500 кГц разные.

Конструкция индуктора зависит от выбора рабочей частоты. Управление мощностью высокочастотного генератора, а следовательно, температурой в тигле осуществляется по заданной программе по выбранной технологии. ВЧГ работает в диапазоне 5-500 кГц. Работа генератора на высокой частоте позволяет эффективно производить плавки малых объемов.

Печь может работать в режиме как прямого (от индуктора в металле наводятся вихревые токи и выделяется тепло, которое идет на разогрев металла), так и косвенного (когда разогревается промежуточное вещество, а от него - металл в тигле) нагрева содержимого тигля.

Для повышения эффективности плавки цветных металлов и шлака при температуре до 1300^oС в печи предусмотрен легкоустанавливаемый съемный электропроводящий разгонный цилиндр 6. Разгонный цилиндр 6 находится между тиглем и футеровкой и легко убирается. Наличие разгонного цилиндра позволяет осуществлять плавку сколь угодно малого количества металла и шлака в тигле и улучшает режим работы индуктора, обеспечивая быстрый нагрев тигля. Происходит это следующим образом.

Протекающий в индукторе 3 ток создает переменное магнитное поле, основная часть которого замыкается в цилиндре 6. Под действием этого поля в электропроводном цилиндре возникает переменный индукционный ток, направленный в противоположную сторону по отношению к току в индукторе 3. Индукционный ток нагревает тело цилиндра 6 до температуры, большей температуры плавления материала, заполняющего тигель 1. Тепло от нагретого индуктором 3 цилиндра 6 передается тиглю 1 и находящемуся в нем материалу, который начинает нагреваться и плавиться.

Возможность плавки в печи различных материалов делает ее универсальной.

Таким образом, индукционная тигельная печь изготовлена из легкодоступных отечественных материалов и комплектующих. Она проста по конструкции, дешева по сравнению с аналогами, малогабаритна, компактна, может быть передвижной, легко собирается и разбирается (демонтируется). Индуктор печи для диапазона частот 5-500 кГц имеет вес 10-15 кг, легкосъемный, гибкий, легко перестраиваемый под любой размер и конфигурацию тигля. Тепловая изоляция печи блочная, легко разборная. Блоки собраны насухо. Монтаж всей установки производится за одну рабочую смену.

Индукционная печь может быть расположена как вертикально - для стандартных тиглей, так и горизонтально - для трубообразных тиглей, когда высота тигля много больше его диаметра. Печь можно использовать в качестве муфельной печи с горизонтальным расположением нагреваемой камеры.

На этой же установке могут изготавливаться (сушиться и обжигаться) шамотные и графитовые тигли различных конфигураций и размеров (от 1 литре до 1000 литров и более). В существующих технологиях изготовление тиглей выделено в отдельное производство. Технология сборки футеровки и изготовления индуктора позволяет изготавливать печи под тигли диаметром от 50 до 1000 мм в диаметре любой формы.

Легкая заменяемость тиглей позволяет плавить на одной печи разные металлы и шлаки. Перечисленные операции расширяют функциональность печи.

При работе на установке применимы все классические технологические процессы и приемы, принятые в металлургии.

Печь-термос позволяет набирать температуру в тигле до 2000^oС. Верхний предел определяется качеством огнеупоров.

Температура графитового тигля может достигать 3000^oС. При работе на высоких температурах требуется подбор материала футеровки, поскольку при высоких температурах футеровка испаряется.

Отсутствие понижающего трансформатора и системы водяного охлаждения (для всего диапазона частот 50 Гц - 500 кГц) делают печь малогабаритной и передвижной в условиях производственного цеха. Вся установка (тигельная печь с блоком управления) с емкостью тигля на 4-5 тонн стала очень компактна и располагается на площади порядка 9 кв. м.

Таким образом, предлагаемая тигельная индукционная печь по сравнению с известными аналогами обеспечивает безопасность работы, повышение производительности, многофункциональность и универсальность.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструктивным особенностям тигельных индукционных печей для плавки цветных и черных металлов и неэлектропроводных материалов, шлаков, стекла и других веществ. В предлагаемой печи футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры. Индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за футеровкой, не соприкасаясь с ней. Изобретение позволяет создать многофункциональную и универсальную конструкцию печи, в частности, для выращивания и очистки кристаллов кремния и германия. 12 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Индукционная тигельная печь, содержащая тигель, индуктор, футеровку, подину, крышку, отличающаяся тем, что футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, а индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за футеровкой, не соприкасаясь с ней. 2. Индукционная тигельная печь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит съемный электропроводящий цилиндр, расположенный между тиглем и футеровкой. 3. Индукционная тигельная печь по п. 2, отличающаяся тем, что высота цилиндра сравнима с высотой индуктора. 4. Индукционная тигельная печь по п. 2, отличающаяся тем, что цилиндр выполнен из стали. 5. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что индуктор выполнен с принудительным воздушным охлаждением. 6. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что футеровка собрана из кирпичей-блоков насухо без обмазки. 7. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что футеровка выполнена из облегченного пористого шамота. 8. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что печь расположена горизонтально. 9. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выполнена передвижной. 10. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью демонтажа. 11. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит блок управления. 12. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с переворотным устройством. 13. Индукционная тигельная печь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что крышка печи выполнена с механизмом поворота и технологическими отверстиями.