ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ ТИГЕЛЬНАЯ ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ С U-ОБРАЗНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2015 года по МПК F27B14/06 F27D11/12 F27D27/00 

Изобретение относится преимущественно к металлургии и литейному производству, в частности к конструкциям индукционных тигельных печей, применяемых для выплавки различных сплавов, доведения расплава до необходимых свойств и выдержки его для порционной разливки.

Известна трансформаторная индукционная канальная печь с О-образным магнитопроводом и вертикальным магнитным потоком, содержащая скрепленные вместе индуктор с витками, охватывающими один из четырех стержней вертикального магнитопровода О-образной формы, неподвижную емкость для расплава в виде горизонтального узкого кольцевого канала, выполненного в огнеупорной керамической футеровке и охватывающего индуктор, поворотное устройство для слива расплава. Печь является своеобразным трансформатором, где первичная обмотка - индуктор, вторичная - короткозамкнутое кольцо расплава (Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1968. - С.20).

Описанная трансформаторная индукционная канальная печь с вертикальным магнитным потоком имеет следующие основные недостатки:

- ограниченная сфера использования, так как она, во-первых, не пригодна для непосредственного расплавления кусков шихты, а требует заливки расплава из другой печи иного вида в кольцевой канал, после чего в расплав можно добавлять куски шихты. Это объясняется особенностями превращений энергии в такой печи. Проходящий по индуктору переменный электрический ток, возбужденный электродвижущей силой (э.д.с.) источника электроэнергии, создает переменный магнитный поток, который, проходя по магнитопроводу, намагничивает его и усиливается. При этом электрическая энергия превращается согласно закону полного тока по первому уравнению Максвелла в магнитную. Магнитный поток создает в магнитопроводе вихревые токи Фуко, а вокруг каждого из стержней магнитопровода - переменное электрическое поле как в воздухе, так и в электропроводном короткозамкнутом кольце расплава. Переменное электрическое поле наводит в этом кольце э.д.с., под действием которой возникает электрический ток. При этом магнитная энергия превращается вновь в наведенную электрическую, которая согласно закону Джоуля-Ленца превращается в тепловую, нагревая расплав. Однако, несмотря на то что на электропроводные куски шихты также действует это же переменное электрическое поле, электрический ток в них не появляется, так как между кусками имеются не электропроводные воздушные зазоры и поэтому замкнутая электрическая цепь не образуется. Таким образом, печь построена на трансформаторном принципе превращения энергии: электрическая от э.д.с. источника - магнитная - электрическая в замкнутой цепи от наведенной э.д.с. - тепловая; во-вторых, увеличивает угар химических элементов сплава, так как часть его постоянно находится в расплавленном состоянии при высокой температуре, что не позволяет выплавлять сплавы, свойства которых резко изменяются в связи с небольшим отклонением от требуемого химического состава, например сталь;

- повышенные эксплуатационные расходы, во-первых, из-за необходимости использования второй печи другого вида для выплавки расплава из кусковой шихты и заливки его в кольцевой канал; во-вторых, из-за пониженной стойкости футеровки канала вследствие его эрозии или зарастания и частой трудоемкой его очистки или замены, сопровождаемой разборкой магнитопровода и съемом индуктора, особенно при выплавке высокотемпературных сплавов; в-третьих, из-за трудности перехода с выплавки одного вида сплава на другой вследствие необходимости полностью сливать один расплав из канала и заливать другой, изменяя перед этим конструкцию и сечение канала и состав футеровки.

Известна индукторная индукционная тигельная плавильная печь с вертикальным магнитным потоком, содержащая скрепленные вместе корпус, неподвижный стальной или футерованный огнеупорный тигель с ванной для расплава, индуктор с витками. Витки индуктора, охватывающие цилиндрический тигель с ванной, расположены максимально близко к тиглю преимущественно в горизонтальной плоскости соосно с вертикальной осью ванны и являются опорой для тигля. Витки выполнены полыми из медной трубки, внутри которой под давлением до 0,2-0,7 МПа протекает со скоростью 1-1,5 м/с охлаждающая кондиционная вода: дистиллированная или с содержанием механических примесей до 80 г/м³, определенной жесткостью до 7 г-экв/м³, температурой 35-40°C и водородным показателем рН 7. Поверх трубки нанесен электроизоляционный слой. Тигель и ванна имеют в плане конфигурацию круга. Высота индуктора меньше высоты ванны и тигля. Устройство в виде электротали, предназначенное для слива расплава, установлено с возможностью поворота всей печи и присоединения к печи только на время слива. Электроталь используется и для загрузки шихты в печах вместимостью до 1 т. Проходящий по виткам индуктора переменный электрический ток, возбужденный э.д.с. источника электроэнергии, создает переменный магнитный поток. При этом электрическая энергия превращается в магнитную согласно закону полного тока по первому уравнению Максвелла. Магнитный поток действует на электропроводные куски шихты, и в каждом из них индуцируется непосредственно переменное вихревое электрическое поле и э.д.с., а под действием этой э.д.с. - вихревой ток Фуко. При этом магнитная энергия превращается согласно закону электромагнитной индукции Фарадея по второму уравнению Максвелла вновь в электрическую, которая согласно закону Джоуля-Ленца превращается в тепловую, нагревая расплав. Таким образом, печь построена на других принципах превращения энергии: электрическая от э.д.с. источника - магнитная - электрическая вихревого тока Фуко - тепловая. Поскольку рабочий магнитный поток создается только индуктором, печь является индукторной индукционной (Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1968. - С.314).

Основным недостатком индукторной индукционной тигельной плавильной печи с вертикальным магнитным потоком является ограниченная сфера использования, обусловленная следующими причинами:

- повышенным браком отливок по неметаллическим включениям - воздушным раковинам, частицам плены, футеровки, шлака - или увеличением длительности плавки из-за необходимости отстаивания расплава в печи для всплывания этих включений. Последнее повышает расход энергии. Первое обусловлено тем, что магнитное поле, создаваемое невысоким индуктором, является очень неоднородным и имеет близкую к тороидальной форму с разным направлением вектора индукции относительно центра индуктора и неравномерное распределение величины индукции в его рабочей полости, а именно: по высоте - у торцов она почти в 2 раза меньше, чем в средине; по сечению - у витков она заметно больше, чем в центре. Это приводит к появлению значительных разнонаправленных градиентов индукции и электромагнитных сил в расплаве и его интенсивному перемешиванию в разных направлениях, что является причиной повышенного износа стенок тигля и замешиванию в расплав продуктов износа, воздуха и шлака, особенно с уменьшением частоты поля;

- повышенным расходом энергии, так как несмотря на требование размещения стенок тигля максимально близко к виткам индуктора существенная часть рабочего магнитного потока с наибольшим значением индукции не используется, поскольку проходит по неэлектропроводным стенкам тигля, а не по шихте или расплаву. Помимо рабочего магнитного потока индуктор создает и магнитный поток рассеяния такой же величины, не участвующий в нагреве шихты и расплава. Все это уменьшает полезное использование магнитного потока почти до 40%, а естественный коэффициент мощности cosφ - до 0,03-0,10 и повышает расход энергии и предполагает наличие устройств для компенсации реактивной мощности. Магнитный поток рассеяния вредит здоровью работников;

- повышенными габаритами печи и увеличенной занимаемой производственной площадью, так как магнитный поток рассеяния вызывает нагрев близкорасположенных электропроводных частей каркаса, поэтому эти части удаляют от индуктора либо вокруг индуктора устанавливается электропроводный экран;

- повышенными расходами на обеспечение безаварийной работы печи вследствие вытекания расплава на индуктор при образовании щелей в тигле, а поворот всей тяжелой и громоздкой печи повышает расход энергии, габариты и стоимость устройства для слива расплава;

- повышенными расходами по кондиционированию воды и созданию повышенного давления вследствие охлаждения полых витков кондиционной водой.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является индукторная индукционная тигельная плавильная печь c I-образными магнитопроводами и вертикальным магнитным потоком, содержащая корпус, неподвижный огнеупорный футерованный тигель с ванной, индуктор с витками, несколько вертикальных стержневых I-образных магнитопроводов, устройство для слива расплава, скрепленные вместе. Водоохлаждаемые витки индуктора, охватывающие тигель с ванной для расплава, расположены максимально близко к тиглю преимущественно в горизонтальной плоскости соосно с вертикальной осью ванны и являются опорой для тигля. Тигель и ванна имеют в плане конфигурацию круга. Высота индуктора меньше высоты ванны и тигля. Вертикальные стержневые I-образные магнитопроводы расположены с внешней стороны индуктора с заданным шагом по окружности, их полюса горизонтальны, размещены на нижнем и верхнем торцах магнитопровода и обращены в противоположные стороны. Это частично уменьшает поток рассеяния, но увеличивает массу и габариты печи. Устройство для слива расплава с гидравлическим приводом установлено с возможностью поворота всей печи. Принцип действия печи тот же, что и у предыдущего аналога, поэтому она также является индукторной индукционной (Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1968. - С.313).

Основным недостатком индукторной индукционной тигельной плавильной печи с I-образными магнитопроводами и вертикальным магнитным потоком является ограниченная сфера использования, обусловленная следующими причинами:

- повышенным браком отливок по неметаллическим включениям - воздушным раковинам, частицам плены, футеровки, шлака - или увеличением длительности плавки из-за необходимости отстаивания расплава в печи для всплывания этих включений. Последнее повышает расход энергии. Первое обусловлено тем, что магнитное поле, создаваемое невысоким индуктором, является очень неоднородным и имеет близкую к тороидальной форму с разным направлением вектора индукции относительно центра индуктора и неравномерное распределение величины индукции в его рабочей полости, а именно: по высоте - у торцов она почти в 2 раза меньше, чем в средине; по сечению - у витков она заметно больше, чем в центре. Это приводит к появлению значительных разнонаправленных градиентов индукции и электромагнитных сил в расплаве и его интенсивному перемешиванию в разных направлениях, что является причиной повышенного износа стенок тигля и замешиванию в расплав продуктов износа, воздуха и шлака, особенно с уменьшением частоты поля;

- повышенным расходом энергии, так как несмотря на требование размещения стенок тигля максимально близко к виткам индуктора существенная часть рабочего магнитного потока с наибольшим значением индукции не используется, поскольку проходит по неэлектропроводным стенкам тигля, а не по шихте или расплаву. Помимо рабочего магнитного потока индуктор создает и магнитный поток рассеяния такой же величины, не участвующий в нагреве шихты и расплава. Все это уменьшает полезное использование магнитного потока почти до 40%, а естественный коэффициент мощности cosφ - до 0,03-0,10 и повышает расход энергии и предполагает наличие устройств для компенсации реактивной мощности. Магнитный поток рассеяния вредит здоровью работников;

- повышенными габаритами печи и увеличенной занимаемой производственной площадью, так как магнитный поток рассеяния вызывает нагрев близкорасположенных электропроводных частей каркаса, поэтому эти части удаляются от индуктора, а вокруг индуктора устанавливаются вертикальные магнитопроводы;

- повышенными расходами на обеспечение безаварийной работы печи вследствие вытекания расплава на индуктор при образовании щелей в тигле, а поворот всей тяжелой и громоздкой печи повышает расход энергии, габариты и стоимость устройства для слива расплава;

- повышенными расходами по кондиционированию воды и созданию повышенного давления вследствие охлаждения полых витков кондиционной водой;

- низкой защищенностью и надежностью работы печи вследствие размещения индуктора вокруг тигля.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение сферы использования тигельной плавильной печи путем снижения потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям, энергоемкости плавки и разливки, уменьшения занимаемой площади, повышения защищенности и надежности работы.

Поставленная задача решается тем, что в индукционной тигельной плавильной печи с U-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком, содержащей корпус, тигель с ванной, индуктор с витками, магнитопровод с полюсами, согласно изобретению магнитопровод выполнен U-образным заодно с корпусом, его полюса обращены друг к другу, витки индуктора, охватывающие его горизонтальную часть между полюсами, расположены преимущественно в вертикальной плоскости, а тигель с ванной размещен между полюсами над индуктором.

Горизонтальный размер полюсов магнитопровода не превышает соответствующий горизонтальный размер ванны тигля.

Кроме того, индуктор закрыт герметичным кожухом с отверстиями для подачи хладагента на его электроизолированные витки и удаления.

Кроме того, тигель и ванна выполнены преимущественно прямоугольной конфигурации в плане и большие стенки тигля обращены к полюсам.

Кроме того, тигель выполнен съемным.

Кроме того, съемный тигель снабжен по меньшей мере двумя цапфами, расположенными на противоположных сторонах тигля у его торца.

Кроме того, съемный тигель подвешен на магнитопроводе посредством цапф.

Кроме того, съемный футерованный тигель выполнен с металлическим решетчатым каркасом, размещенным во внешней поверхности футеровки и скрепленным по меньшей мере с двумя цапфами.

Кроме того, при выплавке сплавов с температурой до 1100°C съемный тигель выполнен из тугоплавкого электропроводного материала.

Кроме того, дно тигля выполнено криволинейным с возможностью поворота тигля относительно индуктора.

Снижение потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям обусловлено уменьшением интенсивности перемешивания расплава горизонтальным магнитным потоком, создаваемым индуктором и направляемым U-образным магнитопроводом.

Уменьшение энергоемкости плавки и разливки обусловлено усилением магнитопроводом магнитного потока индуктора, более полным использованием усиленного магнитопроводом магнитного потока в качестве рабочего и уменьшением потока рассеяния, так как выполнение магнитопровода горизонтальным и U-образным в совокупности с охватом витками индуктора его горизонтальной части между полюсами позволяет создать горизонтальный магнитный поток и обеспечить условия для расположения индуктора под тиглем и направления магнитного потока, создаваемого индуктором, к тиглю.

Уменьшение габаритов печи и, соответственно, занимаемой производственной площади обусловлено выполнением магнитопровода заодно с корпусом.

Повышение защищенности и надежности работы устройства обусловлено размещением индуктора только у дна тигля, то есть установка тигля с ванной между полюсами над индуктором является необходимым условием плавки и повышает надежность работы печи путем существенного уменьшения опасности попадания расплава на индуктор через трещины только в дне тигля, которое может быть очень толстым, а индуктор может быть защищен дополнительно кожухом.

Если горизонтальный размер полюсов магнитопровода не превышает горизонтальный размер ванны тигля, то содержимое ванны находится под воздействием рабочего магнитного потока, а две боковые стенки тигля - под воздействием магнитного потока рассеяния, что уменьшает габариты магнитопровода и дополнительно - расход энергии на плавку. Если горизонтальный размер полюсов магнитопровода превышает горизонтальный размер ванны тигля, то увеличатся этот размер магнитопровода, расход материала и энергии, поток рассеяния.

Для дополнительного повышения надежности работы печи индуктор оснащен герметичным кожухом, закрывающим и защищающим индуктор от любых негативных внешних воздействий.

Для повышения эффективности охлаждения печи, снижения требований к параметрам хладагента и расходов на его подготовку в герметичном кожухе выполнены отверстия для подачи хладагента на его электроизолированные витки и удаления хладагента.

Для дополнительного уменьшения энергоемкости печи тигель и ванна выполнены преимущественно прямоугольной конфигурации в плане и большие стенки тигля обращены к полюсам, что уменьшает путь рабочего магнитного потока между полюсами и магнитный поток рассеяния.

Для повышения эффективности эксплуатации печи путем обеспечения снятия тигля после плавки и переноса к месту разливки тигель выполнен съемным. Такое выполнение тигля также значительно ускоряет и облегчает замену изношенного тигля на новый.

Для повышения эффективности эксплуатации печи путем облегчения снятия тигля с печи и переноса к месту разливки, обеспечения возможности подвешивания тигля на магнитопроводе без установки на основание печи и поворота только тигля, а не всей печи, во время слива расплава съемный тигель оснащен по меньшей мере двумя цапфами.

Для повышения эффективности эксплуатации печи путем укрепления тигля при переносе к месту разливки расплава съемный футерованный тигель оснащен металлическим решетчатым каркасом, размещенным во внешней поверхности футеровки и скрепленным по меньшей мере с двумя цапфами. При этом выполнение каркаса решетчатым позволяет значительной части рабочего магнитного потока проникнуть к содержимому ванны и осуществить необходимое воздействие.

Для уменьшения трудоемкости изготовления печи путем облегчения изготовления тигля в соответствии с предложенным изобретением по сравнению с изготовлением футерованного несъемного тигля, который требует довольно длительной сушки и спекания, съемный тигель выполнен из тугоплавкого электропроводного материала при выплавке сплавов с температурой до 1100°C. Кроме того, такой тигель уменьшает загрязнение некоторых сплавов продуктами взаимодействия расплава с футеровкой.

Для дополнительного уменьшения энергоемкости печи по сравнению с плоским дном поворотного тигля дно съемного тигля выполнено криволинейным с возможностью поворота тигля относительно индуктора, что приближает дно ванны к индуктору и позволяет разместить больший объем ванны в рабочем объеме магнитопровода.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана электромагнитная тигельная плавильная печь с U-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком, оборудованная стационарным корпусом, выполненным заодно с магнитопроводом, и прямоугольным съемным тиглем, поперечный разрез; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, продольный разрез; на фиг.4 - печь с поворотным корпусом, выполненным заодно с магнитопроводом, и прямоугольным несъемным тиглем.

Предложенная электромагнитная индукционная тигельная плавильная печь с U-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком содержит горизонтальный U-образный магнитопровод 1, выполненный заодно с корпусом, огнеупорный тигель 2 с ванной 3, индуктор 4 с витками. Возможно применение устройства 5 для слива расплава из ванны в виде электротали, или гидроцилиндров, или электромеханической передачи, или лебедки. Печь дополнительно оборудована источником регулируемого переменного электрического напряжения с батареей конденсаторов (не показаны).

Выполнение магнитопровода 1 заодно с корпусом позволяет уменьшить габариты печи и занимаемую площадь. В последнем случае его установка на основание 6 и поворот осуществляются известным образом, в частности гидроцилиндрами или электроталью. Выполнение U-образного магнитопровода 1 заодно с корпусом позволяет совместить функцию опоры для тигля 2 и индуктора 4 с функцией усилителя магнитной индукции и хорошего проводника магнитного потока. U-образный магнитопровод 1 имеет два разноименных полюса N и S с вертикальными плоскими поверхностями, обращенными друг к другу и тиглю 2, и среднюю горизонтальную часть. Для уменьшения нагрева U-образного магнитопровода 1 индукционными вихревыми токами Фуко он может быть изготовлен из пластин электротехнической трансформаторной стали толщиной 0,25-0,5 мм при промышленной частоте 50 Гц; толщиной 0,08-0,15 мм - при повышенной частоте до 500-2500 Гц. С увеличением частоты толщина пластины уменьшается. Возможно изготовление небольших магнитопроводов для лабораторных печей и из магнитомягких ферритов, особенно при частоте более 2000 Гц. U-образный магнитопровод 1, установленный на мало- или неэлектропроводное основание 6, может быть неподвижным и/или поворотным относительно этого основания. Основание 6 можно выполнять из отдельных элементов для создания под печью пространства, через которое может стечь в аварийную емкость расплав из треснувшего или прогоревшего тигля. Основание 6 способствует также охлаждению U-образного магнитопровода 1.

Витки индуктора 4 охватывают горизонтальную часть U-образного магнитопровода 1 между полюсами и расположены преимущественно в вертикальной плоскости в один, два или более слоев. Тигель 2 с ванной 3 размещен над индуктором 4 между полюсами N и S U-образного магнитопровода 1 с минимально возможным зазором или без него.

Горизонтальный размер полюсов N и S магнитопровода 1 не превышает горизонтальный размер ванны 3 тигля 2.

Индуктор 4 может быть защищен от внешних воздействий, особенно при утечке расплава из треснувшего тигля, неэлектропроводным кожухом 7 полностью со всех сторон или частично, например только сверху тигля 2. В межполюсном пространстве U-образного магнитопровода 1 индуктор 4 с кожухом 7 занимают его нижнюю часть. Оставшаяся верхняя часть этого пространства является рабочим объемом и предназначена для размещения тигля 2. Кожух 7 может быть одно- или многослойным, например внешний слой из асбоцемента, a внутренние слои из разных пластмасс.

Витки индуктора 4 могут быть выполнены из медной трубки, как у аналогов, с таким же охлаждением проточной водой, или из сплошных медных проводников: гибкого кабеля, провода или шинки. При использовании неизолированных проводников возможна их изоляция после изготовления индуктора 4 путем его пропитки или заливки компаундом, например эпоксидным. На витках индуктора 4 целесообразно наличие электроизоляционного слоя, особенно при охлаждении путем подачи жидкого или газообразного хладагента в полость герметичного кожуха 7. Наличие магнитопровода 1 позволяет снизить напряжение питания индуктора 4 и, как следствие, опасность пробоя изоляции. Хладагентами могут быть эмульсии, трансформаторное масло, негорючие силиконовые жидкости, дистиллированная или водопроводная вода, жидкий азот, углекислота, охлажденный сжатый воздух. Подача хладагента, в том числе водопроводной воды, в кожух 7 непосредственно на внешнюю поверхность электроизолированных витков индуктора 4, а не внутрь их, уменьшает его расход, давление подачи и требования по его подготовке, а также способствует охлаждению магнитопровода 1. Печь может быть дополнительно оснащена источником подачи хладагента (не показан).

Тигель 2 с ванной 3 размещен над индуктором 4 между полюсами N и S U-образного магнитопровода 1. Тигель 2 и ванна 3 могут быть выполнены цилиндрической формы, то есть иметь в плане конфигурацию круга, или в виде параллелепипеда, то есть иметь в плане конфигурацию квадрата или прямоугольника. Форма тигля 2 и ванны 3 особенно в виде прямоугольника по сравнению с цилиндрической формой повышает полезное использование магнитного потока, создаваемого индуктором 4, и целесообразна для печей повышенной вместимости. Горизонтальный размер ванны 3 вдоль полюса целесообразно выполнять не менее соответствующего размера полюса. Высота ванны целесообразна также не менее верхнего уровня магнитопровода 1. При этом ванна 3 занимает практически весь рабочий объем межполюсного пространства U-образного магнитопровода 1, за исключением толщин ее днища и двух боковых стенок, обращенных к полюсам, и пронизывается рабочим магнитным потоком. Соотношение между высотой, длиной и шириной ванны 3 тигля 2 определяется удобством загрузки шихты и слива расплава, а также минимизацией расхода энергии на расплавление шихты. Футеровка ванны 3 может быть выполнена наборной из огнеупорных изделий, в частности кирпича, или набивной из сыпучих огнеупорных материалов. Ее толщина зависит от температуры расплава. Так, для алюминиевых сплавов толщина футеровки составляет более 75 мм, а для стали является равной или более 150 мм.

Тигель 2 может быть установлен на опоры 8, укрепленные на полюсах магнитопровода 1, или на выступы (не показаны) магнитопровода 1. Опоры 8 и выступы могут предохранить кожух 7 и индуктор 4 от расплава, вытекшего через трещины боковых стенок тигля 2. При этом тигель 2 может быть не съемным, так как скреплен с магнитопроводом 1, в том числе путем выполнения набивной футеровки стенок тигля 2, исключающей зазор между ней и полюсом. При этом устройство 5 для слива расплава поворачивает всю печь.

Тигель 2 может быть подвешен на петлях или цапфах 9, расположенных на противоположных сторонах тигля и опирающихся на верхние торцы магнитопровода 1 непосредственно или с помощью промежуточных деталей, например прокладок, консолей (не показаны). Причем тигель 2 в данном случае не скреплен с магнитопроводом 1, имеет относительно него и кожуха 7 минимально возможные зазоры, что позволяет поворачивать только тигель 2 устройством 5 для слива расплава или извлекать тигель 2 из рабочего объема магнитопровода 1 другим устройством, например подъемником (не показан). Для минимизации зазора между тиглем 2 и индуктором 4 с кожухом 7 и обеспечения поворота в случае центрального в плоскости симметрии расположения цапф 9 днище тигля 2 и ванны 3 могут быть выполнены криволинейными. Цапфы 9 могут быть расположены и у свободных боковых стенок прямоугольного тигля 2 и использованы для поворота тигля 2 или извлечения его из рабочего объема магнитопровода 1 и переноса к разливочному стенду или машине (не показаны). Поворот только тигля 2 обеспечивается гораздо меньшими затратами энергии, чем всей печи. Для поворота тигля 2 при сливе и подвешивании его цапфы 9 предпочтительнее петель.

Съемный, в том числе переносной, тигель 2 наиболее удобен цельнометаллический из тугоплавкого электропроводного материала, например стали, титана. Он может применяться для выплавки сплавов с температурой плавления до 1100°C, которые нагреваются преимущественно теплом раскаленного вихревыми токами Фуко тигля 2. Однако съемный, в том числе переносной, тигель 2 может быть и футерованным, в том числе набивным с формовочным уклоном до 5-10°.

Для укрепления съемного футерованного тигля 2 вблизи его внешней поверхности в футеровке размещен металлический решетчатый каркас, скрепленный по меньшей мере с двумя цапфами 9. Каркас может быть выполнен из сетки в виде корзины, перфорированного листа, толстой проволоки, прутка, трубок, узких пластин. Дискретные металлические элементы решетчатого каркаса желательно выполнять минимально возможной толщины или диаметра из малоэлектропроводных сплавов и располагать с максимально возможным расстоянием друг от друга. При этом они мало нагреваются и «пропускают» большую часть магнитного потока к кускам шихты.

Устройство 5 для слива расплава может быть выбрано из наиболее подходящих для принятых габаритов и массы всей печи известных конструкций. Наиболее удобна для этого электроталь грузоподъемностью до 10 т с гибкой подвеской монорельса, позволяющей отвести электроталь на 700-800 мм от номинальной оси подвески и обслуживать площадь шириной до 1600 мм.

Предложенная электромагнитная индукционная тигельная плавильная печь с U-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком работает следующим образом.

После загрузки электропроводных компонентов шихты в ванну 3 до верхнего уровня тигля 2 индуктор 4 подключается к источникам подачи хладагента и регулируемого переменного электрического напряжения с батареей конденсаторов (не показаны). При этом магнитопроводом 1 и индуктором 4 образован своеобразный электромагнит, в связи с чем печь является электромагнитной. Число витков индуктора, величину и частоту напряжения и тока определяют расчетом. При прохождении электрического тока по индуктору 4 создается электромагнитное поле, намагничивающее U-образный магнитопровод 1. Он увеличивает значение индукции этого поля до 500-1000 и более раз и направляет в межполюсное рабочее пространство U-образного магнитопровода 1 в виде горизонтального магнитного потока. Степень увеличения значения индукции зависит в основном от магнитной проницаемости материала магнитопровода 1, величины индукции поля, создаваемого индуктором 4, его частоты и расстояния между полюсами. При увеличении проницаемости и индукции она повышается, а с увеличением частоты и расстояния между полюсами - понижается. Поэтому целесообразна прямоугольная форма тигля 2, уменьшающая это расстояние, когда большие стороны тигля 2 обращены к полюсам.

Границы рабочего магнитного потока определяются высотой и шириной полюсов. За их пределами распространяется магнитный поток рассеяния, в основном между торцами магнитопровода 1. Для его полезного использования и значительного уменьшения распространения за пределами магнитопровода 1 целесообразно равенство или некоторое превышение соответствующих размеров ванны 3 над указанными размерами полюса. Особенно это заметно при использовании ферромагнитной шихты. До загрузки шихты в ванну 3 рабочее электромагнитное поле является практически плоскопараллельным и неоднородным. Величина индукции возле полюсов больше, чем в средине расстояния между полюсами. По поверхности полюсов она практически одинакова. При загруженной шихте, особенно ферромагнитной, возможно небольшое нарушение плоскопараллельности и неоднородности. После ее расплавления указанные свойства практически восстанавливаются. Это существенно уменьшает интенсивность перемешивания расплава, износ футеровки тигля и замешивание в расплав неметаллических включений - воздушных раковин, частиц плены, футеровки, шлака. Поэтому снижается брак отливок по неметаллическим включениям.

Магнитная составляющая электромагнитного поля наводит в электропроводных компонентах шихты индукционные вихревые токи, которые нагревают их до расплавления. Вихревые токи наводятся и в магнитопроводе 1. Однако для их уменьшения, вплоть до нуля, магнитопровод 1 набирается из тонких пластин электротехнической стали. Таким образом, в прототипе и предложенном техническом решении на куски шихты действует сначала магнитный поток, который наводит в них электрические вихревые токи. В трансформаторной же печи на куски шихты действует только электрическое поле, которое не может создать вихревые токи в куске шихты, но может превратиться в направленный ток только в замкнутом проводнике.

Первыми расплавляются компоненты, расположенные в средней по высоте части ванны 3 и ближе к ее днищу, так как от них затруднен теплоотвод. Поэтому возможно применение принудительного осаживания шихты. После полного расплавления шихты и проведения необходимых металлургических операций (удаление нежелательных и вредных примесей, ввод легирующих компонентов и модификаторов, скачивание шлака и др.), зависящих от вида и марки сплава, печь отключается от источника электрического питания. Возможны также доведение расплава до необходимых свойств и выдержка его для порционной разливки.

Электрический ток, проходящий по виткам индуктора 4, нагревает их Джоулевым теплом, которое необходимо отводить известным способом или предложенным изобретением, а именно путем подачи хладагента непосредственно на электроизолированные витки, расположенные в герметичном кожухе 7, куда он подается с меньшими скоростью, давлением и расходом по меньшей мере через одно отверстие, а удаляется через другое.

Слив расплава из ванны 3 тигля 2 производится с помощью устройства 5 по одному из двух вариантов, отличающихся установкой U-образного магнитопровода 1 на основание 6:

- при подвижной установке и скреплении тигля 2 с магнитопроводом 1 устройство 5 поворачивает всю печь на 95-100° вместе с тиглем 2;

- при неподвижной установке и подвешенном тигле 3 на магнитопроводе 1 устройство 5 поворачивает только один тигель 2 на 95-100°.

Если тигель 2 извлекается из рабочего объема магнитопровода 1 за петли или цапфы 9 или иным известным способом и устройством, то он доставляется на разливочный стенд или машину (не показаны), где из него расплав разливается, в частности, в малые ковши или в литейные формы.

По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет расширить сферу использования индукционной плавки путем использования нижеперечисленных преимуществ:

- снижения потерь от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям из-за уменьшения интенсивности перемешивания расплава горизонтальным магнитным потоком;

- уменьшения энергоемкости плавки за счет усиления магнитопроводом магнитного потока индуктора, более полного использования усиленного магнитопроводом магнитного потока в качестве рабочего и уменьшения потока рассеяния;

- уменьшения занимаемой производственной площади и упрощения конструкции печи выполнением магнитопровода заодно с корпусом;

- повышения защищенности и надежности работы индуктора путем размещения его только у дна тигля, а не с четырех сторон, установки между ним и тиглем защитного кожуха, охлаждения его витков с их наружной поверхности;

- снижения требований и затрат на подготовку кондиционного хладагента путем подачи его на наружную поверхность витков индуктора в герметичный кожух;

- уменьшения расходов на слив расплава за счет переноса или поворота только съемного тигля.

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к конструктивным особенностям электромагнитных индукционных тигельных печей для плавки литейных металлов и сплавов. Печь содержит корпус, тигель с ванной, выполненный заодно с корпусом магнитопровод с разноименными полюсами, обращенными друг к другу и тиглю и для создания горизонтального магнитного потока индуктор с витками, охватывающими горизонтальную часть магнитопровода между полюсами, при этом тигель с ванной размещен между упомянутыми полюсами над индуктором. Изобретение позволяет снизить потери от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям и энергоемкости процесса плавки, уменьшить габариты установки, а также повысить защищенность и надежность индукционной тигельной печи. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электромагнитная индукционная тигельная плавильная печь с U-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком, характеризующаяся тем, что она содержит корпус, тигель с ванной, при этом магнитопровод выполнен заодно с корпусом, его полюса обращены друг к другу и тиглю, витки индуктора охватывают горизонтальную часть магнитопровода между полюсами, а тигель с ванной размещен между полюсами над индуктором.

2. Печь по п.1, в которой горизонтальный размер ванны вдоль полюса магнитопровода выполнен не менее соответствующего размера полюса.

3. Печь по п.1, в которой индуктор закрыт герметичным кожухом с отверстиями для подачи хладагента на его электроизолированные витки и удаления хладагента.

4. Печь по п.1, в которой тигель и ванна выполнены преимущественно прямоугольной конфигурации в плане и большие стенки тигля обращены к полюсам.

5. Печь по п.1, в которой тигель выполнен съемным.

6. Печь по п.5, в которой съемный тигель снабжен по меньшей мере двумя цапфами, расположенными на противоположных сторонах тигля.

7. Печь по п.5, в которой съемный тигель подвешен на магнитопроводе посредством цапф.

8. Печь по п.5, в которой съемный тигель выполнен футерованным с металлическим решетчатым каркасом, размещенным во внешней поверхности футеровки и скрепленным по меньшей мере с двумя цапфами.

9. Печь по п.5, в которой съемный тигель выполнен из тугоплавкого электропроводного материала при выплавке сплавов с температурой до 1100°C.

10. Печь по п.5, в которой дно съемного тигля выполнено криволинейным с возможностью поворота тигля относительно индуктора.