4. Содержание и оформление отчета о работе

4.1. Привести эскиз тигля, изготовленного по конкретному заданию, с указанием его характерных размеров и основных элементов.

4.2. Привести техническую характеристику индукционной печи, для индуктора которой изготавливается тигель.

4.3. Оформить таблицей перечень и характеристику основных материалов, используемых при изготовлении футеровки конкретной печи,

4.4. Описать подробно порядок изготовления футеровки тигельной индукционной печи, пояснить назначение и раскрыть содер­жание всех операций. Отметить отклонения от действующих технологических инструкций.

4.5. Указать мероприятия по экономии расхода футеровочных ма­териалов, по снижению трудоемкости, по повышению стойкости тиглей.

4.6. Дать перечень использованных производственных технологи­ческих документов, их краткое содержание и Характеристику.

Контрольные вопросы

1. Основное назначение футеровки индукционных плавильных агрегатов, требования к футеровке.

2. Виды огнеупорных материалов в зависимости от химического, гранулометрического состава, их особенности я свойства.

3. Взаимодействие металлических расплавов с материалами футеровки.

4. Общий порядок изготовления тиглей индукционных плавильных печей.

5. Назначение и применение металлических и других электро­проводящих тиглей.

6. Чем обусловлено применение для футеровки тиглей плавиль­ных печей набивных масс и огнеупорного кирпича?

7. Основные технико-экономические показатели работы индукцион­ных плавильных тигельных печей.

Лабораторная работа №6 Плавка стали в открытой тигельной индукционной печи

(6 часов)

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип работы индукционной тигельной печи для крытой плавки стали.

2. Ознакомиться с технологией плавки стали в тигельной индукционной печи.

3. Изучить номенклатуру сталей и сплавов, выплавляемых в индук­ционных печах, и характеристику их свойств.

1. Общие сведения

1.1. Общая характеристика индукционных тигельных печей

В сталелитейном производстве большое распространение полу­чили бессердечниковые индукционные печи. Нагрев и расплавление металла в этих печах происходит за счет тепла переменного тока, индуктированного в шихте. Основная особенность индукционного нагрева - передача теплоты нагреваемому объекту без промежуточного теплоносителя. Индукционный нагрев основан на принципе ра­боты трансформатора, в котором индуктор является первичной обмоткой, а нагреваемый металл - вторичной (и одновременно - нагрузкой). Под действием наводимой в металле э.д.с. Е₂ циркулируют токи I₂

(1)

Под действием джоулева тепла, выделяющегося в металле при прохождении тока I₂, металл нагревается и плавится. Наводимая во вторичной обмотке э.д.с. пропорциональна магнит ному потоку Ф, пересекающему плоскость витков обмотки, частоте изменения магнитного потока f и числу витков вторичной обмотки n₂:

где коэффициент а, определяемый характером изменения магнит­ного потока во времени, при питании первичной обмотки синусои­дальным током равен 4,44.

Повысить наводимую в металле э.д.с. можно, увеличивая либо Ф , либо f.

Металлургические индукционные печи без сердечника впервые появились в Германии в 1912-1913 гг. После усовершенствования Нортруном (США, 1916-20г.) печи стали работать с тиглями (из кислых или основных огнеупорных материалов).

Индукционная плавильная тигельная печь (рис. 1) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором

Рис.1. Устройство ин­дукционной тигельной печи:

1-индуктор; 2-загрузка; 3-керамический тигель. (Диэлектрический); 4-графитовый (графито-шамотный тигель (электропроводящий); 5 –теплоизоляция

Поскольку загрузка 2 нагревается до тем­пературы, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель - сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электричес­ких свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящим (диэлектрическим керамическим) и проводящим (графитовым, графито-шамотным) тиглем рис. 1, соответственно а и б. В первых плавят металл, тигель эквивалентен воздушному зазору. Во вторых тиглях при повышенной толщине тигля возможно сосредоточение тока в стенке тигля; загрузка про­гревается только путем теплопередачи и может не обладать электропроводностью. В печах с проводящим тиглем имеется теплоизоляция (5).

Индукционные тигельные печи называются открытыми, если они работают в атмосфере. Индуктор и футеровка, основной частью которой является тигель, укрепляются в корпусе печи.

В металлических деталях (расположенных вблизи индуктора) могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев.

Для уменьшения потерь в корпусе у печей небольшой емкости основные детали корпуса изготавливаются из непроводящих материа­лов. У печей значительной емкости узлы несущей конструкции защищают магнитопроводами (вертикальными пакетами трансформаторной стали, располагающимися вокруг индуктора) или электромагнитными экранами между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удельным сопротивлением; потери в таком экране невелики. Печи по данному признаку делятся на 3 класса: 1) неэкранированные; 2) с магнитопроводом; 3) с электромагнитным экраном.

Диапазон емкостей индукционных тигельных печей очень широк: от 0,1 кг, например установка для литья зубных коронок из нержавеющей стали, до 120 т - печь фирмы "Юнкер" (ФРГ) для отливки крупных судовых винтов из бронзы.

Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц, с уменьшением емкости печи частота должна повышаться (для сохранения соотношения между глубиной проникновения тока и диаметром за­грузки, обеспечивающего высокий КПД индуктора).

По частоте питающего тока индукционные тигельные печи можно классифицировать следующим образом:

а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;

б) работающие на частоте 500-10000 Гц с питанием от вентильных или машинных преобразователей частоты;

в) работающие на частотах 150 и 250 Гц от статических ум­ножителей частоты;

г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети, при значительной мощности оборудованные симметрирующими устройства­ми.

Основные достоинства индукционных тигельных печей:

а) возможность получения весьма чистых металлов и сплавов (благодаря отсутствию графитовых электродов) точно заданного состава;

б) стабильность свойств получаемого металла;

в) малый угар металла и легирующих элементов;

г) высокая производительность;

д) возможность полной автоматизации;

е) хорошие условия труда обслуживающего персонала;

ж) интенсивная циркуляция расплава в тигле (выравнивается химический состав сплава по всему объему ванны);

з) высокая маневренность процесса, возможность быстрого перехода с выплавки сплава одной марки на другую;

и) широкое (до 100 %) использование в шихте низкосортных материалов - стружки и отходов;

к) возможность проведения плавки при любом давлении (вакуумные печи) и в любой атмосфере (окислительной, восстанови­тельной, нейтральной);

л) простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки; широкие возможности для механизации и автоматизации загрузки шихты и разливки металла, хорошие санитарно-гигиенические условия.

Недостатки индукционных плавильных (тигельных печей):

а) высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше 50 Гц;

б) невысокая стойкость футеровки тигля и относительно низкая температура металла на поверхности жидкой ванны, что не позво­ляет эффективно использовать флюсы для металлургической обра­ботки сплавов;

в) низкий КПД при плавке материалов с малым удельным сопротивле­нием.

Указанные качества индукционных тигельных печей определяет следующие области применения этих плавильных агрегатов:

1) плавка легированных сталей и синтетического чугуна,

2) плавка цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благо­родных металлов.

Поскольку область применения этих печей ограничивается не техническими, а экономическими факторами, по мере увеличения производства электроэнергии она непрерывно расширяется, захва­тывая все более дешевые металлы и сплавы.

Основными тенденциями в развитии индукционных тигельных печей являются: рост единимой емкости, рост суммарной емкости, парка печей, созданию принципиально новых видов печей (индукционные горизонтальные печи непрерывного действия, индукционно-плазменные печи и др.).

1.2. Конструкция открытой тигельной печи

Основыми конструктивными узлами открытой (неэкранированной) тигельной печи (рис. 2) являются футеровка, индуктор 5, корпус 3, крышка 1, контактное устройство 7, механизм наклона 9.

Футеровка печи изучена в предыдущей лабораторной работе. Индуктор выполняется из профилированной водоохлаждаемой мед­ной трубки прямоугольного сечения. Толщина стенки трубки выбирается в соответствии с частотой тока. На частоте 50 Гц нередко применяют неравностенную трубку, одна из стенок которой (обращен­ная к тиглю) утолщена до 10-13 мм. Конструкция индуктора должна обладать высокой механической жесткостью и прочностью (нагрузки особенно возрастают при наклоне печи. Применяют две разновидности индукторов тигельных печей: стяжные (преимущественно на круп­ных печах) и с креплением витков шпильками.

Рис. 2. Открытая неэкранированная индукционная тигельная печь:

1 – крышка; 2 - легочная керамика; 3 - корпус; 4 - тигель; 5 - индуктор; 6 - подина;7 - контактное устройство; 8 - воротниковая часть; 9 - механизм наклона

Корпус печи соединяет воедино все узлы печи; со­стоит из неподвижной (ста­нины или опорной рамы) 1 наклоняющейся (в виде кар­каса, кожуха) частей. В кор­пусе печи широко используют деревянные, асбоцементные брусья, алюминиевые, бронзовые, из немагнитных сталей детали, изолирующие прокладки (во избежание образования замкнутого витка, охватывающего индуктор).

Крышка из немагнитной стали, футеруется огнеупором и теп­лоизоляцией для уменьшения тепловых потерь на излучение, особен­но в печах большой и средней емкости. Малые печи обычно не имеют крышки.

Контактное устройство - разъемное или в виде гибкого кабеля - осуществляет соединение индуктора с токоподводом, не препятствующее наклону печи. В современных печах чаще применяют соединение гибким водоохлаждаемым кабелем (оно более надежно).

Механизм наклона может быть выполнен конструктивно различ­ными способами: с помощью тянущего троса, с гидроприводом, с зубчатой рейкой, цевочным сектором (последние оборудуются электро­приводом).

1.3. Электрооборудование индукционных тигельных печей

Электрическая цепь индукционных тигельных печей (рис. 3) состоит из источника питания и электрического контура (индуктора и конденсаторной батареи)

Рис. 3. Схема электрической цели индукционных тигельных пе­чей соленоида (индуктора) (а) и емкости (б)

Источники питания (преобразователи частоты) - высокочастотные генераторы - бывают двух типов:

а) ламповые;

б) машинные.

В первых ВЧ колебания генерируется с помощью колебательного контура, собственная частота которого

или упрощенно

Здесь L, С, R - соответственно индуктивность (Гн), емкость (Ф), активное сопротивление (Ом).

Подзарядка контура осуществляется с помощью генераторной лампы - триода (мощностью до 100 кВт). В зависимости от требуемой мощности лампы могут включаться параллельно (до 4 шт.). Срок службы ламп составляет примерно 1000 ч работы.

М ашинные преобразователи (синхронные или индукторные) вырабатывают ток частоты, зависящий от числа пар полюсов обмотки возбуждения (p) и числа оборотов ротора. Для обычного синхронного генератора

Из-за технических сложностей ограничивают частоту тока, получаемого от синхронного генератора, до 1000 Гц. Токи частотой до 10000 Гц получают при помощи машинных генераторов индукторного типа

где Z - число выступов на роторе; n - частота вращения ротора, об/мин.

Конденсаторы (конденсаторная батарея) – компенсируют индукционную мощность индуктора, создаваемую большой индуктивностью, снижающей общий cosφ. Достигается это тем, что в противоположность самоиндукции, дающей положительный сдвиг фаз (сила тока отстает от напряжения), емкость создает отрицательный сдвиг (сила тока опережает напряжение). Включение конденсаторной батареи необходимо в установках, работающих от машинных генераторов. При этом емкость конденсатора

1.4 Физико-химические особенности процесса

При индукционном нагреве различают следующие его разновидности: энергия подается в нагреваемое тело магнитной составляющей Н, электрической составляющей Е. Индуктор представляет собой Н-нагреватель. Распределение теплоты в объекте при этом зависит от структуры магнитного поля, определяемой формами проводника и объекта нагрева и их взаимным расположением. При больших габаритных размерах нагреваемого объекта (объект больше длины электромагнитной волны) индукционный нагрев осуществляется одновременно обеими составляющими.

П ериод расплавления шихты при индукционной плавке непродолжителен: это в сочетании с благоприятной атмосферой позволяет свести к минимуму потери компонентов сплава на угар.

Очень эффективно (при выплавке качественных сталей) интенсивное перемешивание жидкой стали. Плотность тока максимальна на поверхности расплава и снижается от периферии к центру («поверхностный эффект»). Поверхностный эффект зависит от частоты тока, он тем больше, чем выше частота. Этот эффект влияет на распределение температуры в металле. Температура шлака при индукционной плавке обычно ниже температуры металла; отсюда относительно пассивная роль шлака в процессе, обменные металлургические реакции между шлаком и металлом имеют ограниченное значение. Характер процесса определяется в основном особенностями контакта и взаимодействия расплава с футеровкой и атмосферой печи.

Температура металла достигает максимальных значений не у поверхности, а в нижней части тигля (что благоприятствует более быстрому и с меньшими потерями расплавлению тугоплавких и тяжелых легирующих). С точки зрения возможности регулирования температуры металла индукционная плавка наиболее управляемая. Процесс в основном сводится к переплаву, сплавлению компонентов шихты. Расчет шихты в этом случае сводится к задаче получения заданного химического состава стали после ее расплавления. Плавка может проводиться в кислом и основном вариантах. В печах основной футеровкой получают сталь с меньшим количеством оксидных неметаллических включений, при кислой футеровке труднее получить низкокремнистую сталь.

Высоколегированные стали (с повышенным содержанием Mn, Ti, Al) целесообразнее выплавлять в печах с основной футеровкой.

1.5. Технико-экономические показатели плавки

Индукционные печи могут быть использованы для выплавки малых и больших масс металла. Как упоминалось выше, в них можно плавить сталь (печи ИСТ-0,4; ИСТ-1; ИСТ-2,5; ИСТ-6М1; ИСТ-10; др.); чугун (ИЧТ); сплавы цветных металлов (ИАТ – для алюминиевых, ИЛТ – для медных, ИГТ и ИМТ для магниевых сплавов). Вследствие особенностей процесса индукционной плавки его целесообразно применять для выплавки низкоуглеродистых нержавеющих, сложнолегированных, жаропрочных, быстрорежущих прецизионных сплавов, а также использовать в литейном производстве в дуплекс процессе для легирования и рафинирования стали, выплавленной и другом плавильном агрегате, и, наконец, в качестве раздаточных печей.

Среднечасовая производительность печей промышленной частоты мощностью 200-2100 кВт и с тиглями емкостью 0,5-15 т составляет 0,35-4,6 т.

Емкость действующих печей средней частоты составляет 8-12 т.

Высота тиглей в печах промышленной частоты примерно в 1,5 раза больше (так как жидкий металл в них поднимается выше, чем в средне- и высокочастотных).

С понижением частоты тока можно уменьшить подводимую мощность.

Решающее влияние на удельный расход электроэнергии оказывает характер процесса, качество и габаритные размеры кусков шихты, марка стали, условия загрузки. Выход годной стали (жидкой) при индукционной плавке составляет около 95 %. Электротермический КПД составляет 60-75 % и зависит от многих факторов, прежде всего от частоты тока, габаритных размеров шихты, глубины проникновения тока Δ

где ρ - электросопротивление в мкОмсм;

f - частота, Гц;

μ - магнитная проницаемость шихты.

Минимальный размер плавящейся шихты должен в 2-3 раза превышать глубину проникновения тока.

Тип плавильной установки и характер процесса должны выбираться в каждом конкретном случае в зависимости от всего комплекса технических и технико-экономических факторов.

2. Техника безопасности при выполнении работы

2.1. При выполнении лабораторной работы необходимо руководствоваться правилами техники безопасности, действующими в литейном цехе:

при обслуживании электропечей следует избегать непосредственного соприкосновения с токоведущими частями;

система блокировок и сигнализации должна быть исправна;

обслуживание электрических частей печей должно производиться только специалистами-электриками;

следует контролировать и не допускать превышения санитарных норм интенсивности электромагнитных полей в диапазоне частот 0,1-30 мГц.

2.2. Запрещается самостоятельное вмешательство в производственный процесс, выполнение операций, не предусмотренных порядком выполнения настоящей работы.

3. Порядок выполнения работы

3.1. При необходимости подготавливается шлакообразу-ющий материал: известняк и плавиковый шпат в соотношении 85-90 и 10-15 %. Исходные материалы предварительно подготавливают (известняк подвергают обжигу, дробят, размалывают, просеивают, перемешивают в смесителе).

3.2. Смесь известняка и полевого шпата перемешивают до получения однородной смеси (время перемешивания 30 минут).

3.3. Смесь загрузить в термошкаф, прогреть до 200-400 ^оС в течение не менее 1 ч и ввести в тигель в количестве 2,5% (и более) от веса шихты.

3.4. Приготовить порошок MgO дроблением боя MgO (ГОСТ 4689-74) до фракции 1,6-2,0 мм и засыпать (после просеивания) на поверхность шлака.

3.5. Произвести подготовку шихтовых материалов, предварительно рассчитав их.

3.6. Подготовить плавильный агрегат и разливочные ковши к плавке в соответствии с инструкцией. При переходе на плавку другой марки стали провести обмывочную плавку, используя для нее отходы соответствующей стали.

3.7. Загрузить шихту в тигель. Для этого (при выплавке ВНЛ-1М) в печь перед началом плавки загрузить армко-железо, сталь 07Х16Н6, литейный возврат.

3.8. Включить печь (на пульте управления ПУ ШДА 420), расплавить шихту при максимально допустимой мощности. На красную шихту загрузить Ni после начала оплавления - Cr.

3.9. После появления в тигле жидкого металла ввести шлакообразующую смесь. В процессе плавки все зеркало металла должно быть закрыто слоем шлака, без крупных спекшихся комков и не должна образовываться корка на поверхности расплава.

3.10. Осадить шихту в тигле ломиком из стали 07Х16Н6 или 08Х14Н7МЛ, в дальнейшем это проводить периодически по мере расплавления шихты.

3.11. Расплавить металл полностью. Нагреть его до температуры раскисления (для стали ВНЛ-1М – до 156010^оС). Замер температуры проводить W – Mo – термопарой с кварцевым наконечником.

3.12. Снять шлак с поверхности расплава (счищалкой из стали 07Х16Н6 или 08Х14Н7МЛ), ввести последние раскислители (Mn, Fe-Si, C -по расчету), тщательно замешивая их ломиком в металл.

3.13. Загрузить свежую порцию шлакообразующего на зеркало. Раскислить шлак силико-кальцием. При необходимости ввести легирующие добавки (при изготовлении стали ВНЛ-1М этого не требуется).

3.14. При выплавке сталей и сплавов (в том числе ВНЛ-1М) осуществляется контроль фазового состава сталей с помощью прибора МКЛ.

3.15. Для этого включить прибор МКЛ (время прогрева 10 мин). Запрещается плавка при отсутствии на участке МКЛ-3, эталонов магнитных проб и таблиц к ним, заверенных в соответствующем отделе.

3.16. Нагреть расплав до 150010^оС, проверить температуру расплава. Сделать окно в шлаке, зачерпнуть расплав в кокиль. Переключить печь на поддержания постоянной температуры. (Эскиз кокиля приведен в описании к прибору МКЛ).

3.17. Образец, выбитый из кокиля, охлаждается на воздухе (или при 400-450^оС в селитре) до его потемнения. (Состав селитровой ванны: 50% KNO₃ и 50% NaNO₃).

3.18. Проверить показания МКЛ по образцам (величина индукции дана в таблице описания к прибору); при необходимости прибор регулируется.

3.19. Проверить фазовый состав стали по горячей пробе (показания прибора: при охлаждении на воздухе  0 мВ; при охлаждении в селитре при 400^оС  0,1 мВ); по холодной пробе (в проточной воде при 4-16 ^оС 15-17 мВ).

3.20. Операции взятия, подготовки и анализа пробы повторить.

3.21. При необходимости произвести доводку фазового состава сталей (введением углерода, никеля, марганца в расплав). После полного расплавления добавки выдержать расплав не менее 5 мин. Повторить контроль по пробе. Состав (при необходимости) корректировать введением в расплав электротехнической или низкоуглеродистой стали. После расплавления и выдержки 5 мин повторить взятие и анализ пробы.

3.22. Выплавленный металл заливается в формы (с соблюдением всех требований технологической инструкции по заливке форм).