Индукционная вакуумная плавильная печь промышленной частоты. Конструкция вакуумных печей. Канальные печи индукционной плавки

В металлургической промышленности широко применяются индукционные печи. Такие печи нередко изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо знать их принцип работы и конструктивные особенности. Принцип работы таких печей был известен еще два столетия назад.

Индукционные печи способны решать следующие задачи:

Плавка металла.
Термообработка металлических деталей.
Очистка драгоценных металлов.

Такие функции имеются в промышленных печах. Для бытовых условий и обогрева помещения существуют печи специальной конструкции.

Принцип действия

Работа индукционной печи заключается в нагревании материалов путем использования свойств вихревых токов. Чтобы создать такие токи применяется специальный индуктор, который состоит из катушки индуктивности с несколькими витками провода большого поперечного сечения.

К индуктору подводится сеть питания переменного тока. В индукторе переменный ток создает магнитное поле, которое меняется с частотой сети, и пронизывает внутреннее пространство индуктора. При помещении какого-либо материала в это пространство, в нем возникают вихревые токи, осуществляющие его нагревание.

Вода в работающем индукторе нагревается и кипит, а металл начинает плавиться при достижении соответствующей температуры. Условно можно разделить индукционные печи на типы:

Печи с магнитопроводом.
Без магнитопровода.

Первый тип печей содержит индуктор, заключенный в металл, что создает особый эффект, повышающий плотность магнитного поля, поэтому нагревание осуществляется качественно и быстро. В печах без магнитопровода индуктор находится снаружи.

Виды и особенности печей

Индукционные печи можно разделить на виды, которые обладают своими особенностями работы и отличительными признаками. Одни служат для работ в промышленности, другие применяются в быту, для приготовления пищи.

Вакуумные индукционные печи

Такая печь предназначена для плавки и литья сплавов индукционным методом. Она состоит из герметичной камеры, в которой расположена тигельная индукционная печь с литейной формой.

В вакууме можно обеспечить совершенные металлургические процессы, получать качественные отливки. В настоящее время вакуумное производство перешло на новые технологические процессы из непрерывных цепочек в вакуумной среде, которая дает возможность создавать новые изделия, и уменьшать издержки производства.

Достоинства вакуумной плавки

Жидкий металл можно выдерживать в вакууме длительное время.
Повышенная дегазация металлов.
В процессе плавки можно производить дозагрузку печи и воздействовать на процесс рафинирования и раскисления в любое время.
Возможность постоянного контроля и регулировки температуры сплава и его химического состава во время работы.
Высокая чистота отливок.
Быстрый нагрев и скорость плавки.
Повышенная гомогенность сплава из-за качественного перемешивания.
Любая форма сырья.
Экологическая чистота и экономичность.

Принцип действия вакуумной печи состоит в том, что в тигле, находящемся в вакууме с помощью индуктора высокой частоты плавят твердую шихту и очищают жидкий металл. Вакуум создается путем откачки воздуха насосами. При вакуумной плавке достигается большое снижение водорода и азота.

Канальные индукционные печи

Печи с электромагнитным сердечником (канальные) широко применяются в литейном производстве для цветных и черных металлов в качестве раздаточных печей, миксеров.

1 — Ванна
2 — Канал
3 — Магнитопровод
4 — Первичная катушка

Переменный магнитный поток проходит по магнитопроводу, контуру канала в виде кольца из жидкого металла. В кольце возбуждается электрический ток, который разогревает жидкий металл. Магнитный поток образуется первичной обмоткой, работающей от переменного тока.

Чтобы усилить магнитный поток, используется замкнутый магнитопровод, который выполнен из трансформаторной стали. Пространство печи соединяется двумя отверстиями с каналом, поэтому при наполнении печи жидким металлом создается замкнутый контур. Печь не сможет работать без замкнутого контура. В таких случаях сопротивление контура большое, и в нем течет малый ток, который назвали током холостого хода.

Вследствие перегрева металла и действия магнитного поля, которое стремится вытолкнуть металл из канала, жидкий металл в канале постоянно движется. Так как металл в канале нагрет выше, чем в ванне печи, то металл постоянно поднимается в ванну, из которой поступает металл с меньшей температурой.

Если металл слить ниже допустимой нормы, то жидкий металл будет выбрасываться из канала электродинамической силой. В итоге произойдет самопроизвольное выключение печи и разрыв электрического контура. Чтобы избежать таких случаев печи оставляют некоторое количество металла в жидком виде. Его называют болотом.

Канальные печи разделяют на:

Плавильные печи.
Миксеры.
Раздаточные печи.

Чтобы накопить некоторое количество жидкого металла, усреднения химического состава его и выдержки, используют миксеры. Объем миксера рассчитывают равным не ниже двукратной часовой выработки печи.

Канальные печи разделяют на классы по расположению каналов:

Вертикальные.
Горизонтальные.

По форме рабочей камеры:

Барабанные индукционные печи.
Цилиндрические индукционные печи.

Барабанная печь выполнена в виде стального сварного цилиндра с двумя стенками на торцах. Для поворота печи применяются приводные ролики. Чтобы повернуть печь, необходимо включить привод электродвигателя с двумя скоростями и цепной передачей. Двигатель имеет пластинчатые тормоза.

На торцевых стенках есть сифон для заливки металла. Для загрузки присадок и снятия шлаков имеются отверстия. Также для выдачи металла имеется канал. Канальный блок состоит из индуктора печи с V-образными каналами, сделанными в футеровке при помощи шаблонов. При первой же плавки эти шаблоны расплавляются. Обмотка и сердечник охлаждаются воздухом, корпус блока охлаждается водой.

Если канальная печь имеет другую форму, то выдача металла осуществляется с помощью наклона ванны гидроцилиндрами. Иногда металл выдавливают избыточным давлением газа.

Достоинства канальных печей

Малый расход электроэнергии вследствие малых потерь тепла ванны.
Повышенный электрический КПД индуктора.
Малая стоимость.

Недостатки канальных печей

Сложность регулировки химического состава металла, так как наличие оставленного жидкого металла в печи создает трудности при переходе от одного состава к другому.
Малая скорость движения металла в печи уменьшает возможности технологии плавки.

Конструктивные особенности

Каркас печи изготавливается из листовой стали с низким содержанием углерода толщиной от 30 до 70 мм. Внизу каркаса есть окна с присоединенными индукторами. Индуктор выполнен в виде стального корпуса, первичной катушки, магнитопровода и футеровки. Его корпус сделан разъемным, а части изолированы между собой прокладками для того, чтобы части корпуса не создавали замкнутый контур. В противном случае будет создаваться вихревой ток.

Магнитопровод выполнен из пластин специальной электротехнической стали 0,5 мм. Пластины изолированы между собой для снижения потерь от вихревых токов.

Катушка изготавливается из медного проводника сечением, зависящим от тока нагрузки и метода охлаждения. При воздушном охлаждении допустимый ток 4 ампера на мм 2 , при охлаждении водой допустимый ток 20 ампер на мм 2 . Между футеровкой и катушкой монтируют экран, который охлаждается водой. Экран изготовлен из магнитной стали или меди. Для отведения тепла от катушки монтируют вентилятор. Чтобы получить точные размеры канала, применяют шаблон. Он выполнен в виде полой стальной отливки. Шаблон ставится в индуктор до того момента, пока не будет заполнения огнеупорной массой. Он находится в индукторе при разогреве и сушке футеровки.

Для футеровки применяют огнеупорные массы влажного и сухого вида. Влажные массы используют в виде набивных или заливных материалов. Заливные бетоны используют при сложной форме индуктора, если нельзя уплотнить массу по всему объему индуктора.

Такой массой наполняют индуктор и уплотняют вибраторами. Сухие массы уплотняют вибраторами высокой частоты, набивные массы уплотняют пневматическими трамбовками. Если в печи будет выплавляться чугун, то футеровку выполняют из оксида магния. Качество футеровки определяется по температуре охлаждающей воды. Наиболее эффективным методом проверки футеровки является проверка по значению индуктивного и активного сопротивления. Эти измерения проводятся с помощью контрольных приборов.

В электрооборудование печи входит:

Трансформатор.
Батарея конденсаторов для компенсации потерь электрической энергии.
Дроссель для подсоединения 1-фазного индуктора к 3-фазной сети.
Щиты управления.
Кабели питания.

Чтобы печь нормально функционировала, к питанию подключают на 10 киловольт, который имеет на вторичной обмотке 10 ступеней напряжения для регулировки мощности печи.

Набивочные материалы футеровки содержат:

48% сухого кварца.
1,8% кислоты борной, просеянной через мелкое сито с ячейками 0,5 мм.

Массу для футеровки готовят в сухом виде с помощью смесителя, и последующей просевкой через сито. Приготовленная смесь не должна храниться более 15 часов после подготовки.

Футеровку тигля производят с помощью уплотнения вибраторами. Электрические вибраторы используются для футеровки больших печей. Вибраторы погружают в пространство шаблона и производят уплотнение массы через стенки. При уплотнении вибратор передвигают краном и вертикально вращают.

Тигельные индукционные печи

Основными компонентами тигельной печи являются индуктор и генератор. Для изготовления индуктора используется медная трубка в виде намотанных 8-10 витков. Формы индукторов могут выполняться различных видов.

Этот вид печи наиболее распространенный. В конструкции печи нет сердечника. Распространенная форма печи представляет собой цилиндр из огнестойкого материала. Тигель находится в полости индуктора. К нему подводится питание переменного тока.

Преимущества тигельных печей

Энергия выделяется при загрузке материала в печь, поэтому вспомогательные нагревательные элементы не нужны.
Достигается высокая однородность многокомпонентных сплавов.
В печи можно создать реакцию восстановления, окисления, независимо от величины давления.
Высокая производительность печей из-за повышенной удельной мощности на любых частотах.
Перерывы в плавке металла не влияют на эффективность работы, так как для разогрева не требуется много электроэнергии.
Возможность любых настроек и простая эксплуатация с возможностью автоматизации.
Нет местных перегревов, температура выравнивается по всему объему ванны.
Быстрое плавление, позволяющее создать качественные сплавы с хорошей однородностью.
Экологическая безопасность. Внешняя среда не подвергается никакому вредному воздействию печи. Плавка также не оказывает вреда природе.

Недостатки тигельных печей

Малая температура шлаков, применяющихся для обработки зеркала расплава.
Малая стойкость футеровки при резких температурных перепадах.

Несмотря на имеющиеся недостатки, тигельные индукционные печи получили большую популярность на производстве и в других областях.

Индукционные печи для отопления помещения

Чаще всего такая печь устанавливается в помещении кухни. В ее конструкции основной частью является сварочный инвертор. Конструкция печи обычно совмещается с водонагревательным котлом, который дает возможность для отопления всех помещений в здании. Также есть возможность подключения подачи горячей воды в здание.

Эффективность работы такого устройства небольшая, однако, нередко такое оборудование все-таки применяется для отопления дома.

Конструкция нагревающей части индукционного котла подобна трансформатору. Наружный контур – это обмотки своеобразного трансформатора, которые подключаются к сети. Второй контур внутренний – это устройство обмена теплом. В нем происходит циркуляция теплоносителя. При подключении питания катушка создает переменное . В итоге внутри теплообменника индуцируются токи, которые осуществляют его нагревание. Металл нагревает теплоноситель, который обычно состоит из воды.

На таком же принципе основана работа бытовых индукционных плит, в которых в качестве вторичного контура выступает посуда из специального материала. Такая плита намного экономичнее обычных плит из-за отсутствия тепловых потерь.

Водонагреватель котла оснащен устройствами управления, которые дают возможность поддержания температуры теплоносителя на определенном уровне.

Отопление электроэнергией является дорогим удовольствием. Оно не может создать конкуренцию с твердым топливом и газом, дизельным топливом и сжиженным газом. Одним из методов снижения расходов является установка теплоаккумулятора, а также подключение котла в ночное время, так как ночью чаще всего действует льготное начисление за электричество.

Для того, чтобы принять решение об установке индукционного котла для дома, необходимо получить консультацию у профессиональных специалистов по теплотехнике. У индукционного котла практически нет преимуществ перед обычным котлом. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Обычные котел с ТЭНами продается уже готовым к установке, а индукционный нагреватель требует дополнительного оборудования и настройки. Поэтому, прежде чем приобрести такой индукционный котел, необходимо произвести тщательный экономический расчет и планировку.

Футеровка индукционных печей

Процесс футеровки необходим для обеспечения защиты корпуса печи от воздействия повышенных температур. Она дает возможность значительно сократить потери тепла, увеличить эффективность плавки металла или нагрева материала.

Для футеровки применяют кварцит, являющийся модификацией кремнезема. К материалам для футеровки предъявляются некоторые требования.

Такой материал должен обеспечить 3 зоны состояний материала:

Монолитная.
Буферная.
Промежуточная.

Только наличие трех слоев в покрытии способно защитить кожух печи. На футеровку отрицательно влияет неправильная укладка материала, плохое качество материала и тяжелые условия работы печи.

Свернуть

Индукционная печь — это печной аппарат, который применяется для плавления цветных (бронзы, алюминия, меди, золота и других) и черных (чугуна, стали и других) металлов за счет работы индуктора. В поле ее индуктора производится ток, он нагревает металл и доводит его до расплавленного состояния.

Вначале на него будет действовать электромагнитное поле, потом электрический ток, а затем уже он пройдет тепловую стадию. Простую конструкцию такого печного устройства можно собрать самостоятельно из различных подручных средств.

Принцип работы

Такое печное устройство является электрическим трансформатором со вторичной короткозамкнутой обмоткой. Принцип действия индукционной печи состоит в следующем:

при помощи генератора в индукторе создается переменный ток;
индуктор с конденсатором создает колебательный контур, он настроен на рабочую частоту;
в случае использования автоколебательного генератора, конденсатор исключается из схемы устройства и в этом случае используется собственный запас емкости индуктора;
создаваемое индуктором магнитное поле может существовать в свободном пространстве или же замыкаться с использованием индивидуального ферромагнитного сердечника;
магнитное поле воздействует на находящуюся в индукторе металлическую заготовку или шихту и образует магнитный поток;
по уравнениям Максвелла он индуцирует в заготовке вторичный ток;
при цельном и массивном магнитном потоке создаваемый ток замыкается в заготовке и происходит создание тока Фуко или вихревого тока;
после образования такого тока вступает в действие закон Джоуля-Ленца, и полученная с помощью индуктора и магнитного поля энергия нагревает заготовку металла или шихту.

Несмотря на многоступенчатую работу, устройство индукционной печи может давать в вакууме или воздухе до 100% КПД. Если среда с магнитной проницаемостью, то этот показатель будет расти, в случае со средой из неидеального диэлектрика, он будет падать.

Устройство

Рассматриваемая печь – своеобразный трансформатор, но только в нем нет вторичной обмотки, ее заменяет помещенный в индуктор металлический образец. Он будет проводить ток, а вот диэлектрики в этом процессе не нагреваются, они остаются холодными.

Конструкция индукционных тигельных печей включает в себя индуктор, который состоит из нескольких витков медной трубки, свернутой в виде катушки, внутри нее постоянно передвигается охлаждающая жидкость. Также индуктор вмещает в себе тигель, который может быть из графита, стали и других материалов.

Кроме индуктора в печи установлен магнитный сердечник и подовый камень, все это заключено в корпус печи. В него входят:

В моделях печей большой мощности кожух ванны обычно выполняется достаточно жестким, поэтому каркас в таком устройстве отсутствует. Крепление корпуса должно выдерживать сильные нагрузки при наклоне всей печи. Каркас чаще всего изготавливается из фасонных балок, выполненных из стали.

Тигельная индукционная печь для плавки металла устанавливается на фундамент, в который вмонтированы опоры, на их подшипники опираются цапфы механизма наклона устройства.

Кожух ванны выполняется из металлических листов, на которые для прочности наваривают ребра жесткости.

Кожух для индукционной единицы используется в качестве соединительного звена между печным трансформатором и подовым камнем. Его для уменьшения потерь тока делают из двух половинок, между которыми предусмотрена изолирующая прокладка.

Стяжка половинок происходит за счет болтов, шайб и втулок. Такой кожух делается литым или сварным, при выборе материала для него отдают предпочтение немагнитным сплавам. Двухкамерная индукционная сталеплавильная печь идет с общим кожухом для ванны и для индукционной единицы.

В небольших печах, в которых не предусмотрено водяного охлаждения имеется вентиляционная установка, она помогает отводить из агрегата излишки тепла. Даже вы случае установки водоохлаждаемого индуктора необходимо вентилировать проем, возле подового камня, чтобы он не перегревался.

В современных печных установках имеется не только водоохлаждаемый индуктор, но и предусмотрено водяное охлаждение кожухов. На каркасе печи могут быть установлены вентиляторы, работающие от приводного двигателя. При значительной массе такого устройства, вентиляционный прибор устанавливают возле печи. Если индукционная печь для производства стали идет со съемным вариантом индукционных единиц, то для каждой из них предусматривается свой вентилятор.

Отдельно стоит отметить механизм наклона, который для малых печей идет с ручным приводом, а для крупных он оснащен гидравлическим приводом, расположенным у сливного носика. Какой бы ни был установлен механизм наклона, он обязан обеспечивать слив полностью всего содержимого ванной.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
частота тока – 50 Гц;
производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

Рпол = Wтеор×t×П,
Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 1 0 С;
П – производительность печной установки, т/ч;
t — температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0 С
Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

Активная мощность:

Р = Рпол/Ютерм,
Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

Ринд = Р/N,
Р – активная мощность печной установки, кВт;
N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

Кроме такого разделения, индукционные печи бывают компрессорными, вакуумными, открытыми и газонаполненными.

Индукционные печи своими руками

Среди имеющихся распространенных методик создания таких агрегатов можно найти пошаговое руководство, как сделать индукционную печь из сварочного инвертора, с нихромовой спиралью или графитовыми щетками, приведем их особенности.

Агрегат из высокочастотного генератора

Она выполняется с учетом расчетной мощности агрегата, вихревых потерь и утечек на гистерезисе. Питание конструкции будет идти от обычной сети в 220 В, но с использованием выпрямителя. Такой вид печи может идти с графитовыми щетками или нихромовой спиралью.

Для создания печи потребуется:

два диода UF4007;
пленочные конденсаторы;
полевые транзисторы в количестве двух штук;
резистор в 470 Ом;
два дроссельных кольца, их можно снять со старого компьютерного системщика;
медный провод Ø сечения 2 мм.

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

Транзисторы располагаются на радиаторах. Из-за того, что в процессе плавки металла схема устройства быстро греется, радиатор для нее нужно подбирать с большими параметрами. Допустимо устанавливать несколько транзисторов на один генератор, но в этом случае их нужно изолировать от металла при помощи прокладок, сделанных из пластика и резины.
Изготавливаются два дросселя. Для них берутся два заранее снятые с компьютера кольца, вокруг них обматывают медную проволоку, количество витков ограничено от 7 до 15.
Конденсаторы объединяются между собой в батарею, чтобы на выходе получилась емкость в 4,7 мкФ, их соединение проводится параллельно.
Вокруг индуктора обвивается медная проволока, ее диаметр должен быть 2 мм. Внутренний диаметр обмотки должен совпадать с размером используемого для печи тигля. Всего делают 7-8 витков и оставляют длинные концы, чтобы их можно было подключить к схеме.
В качестве источника к собранной схеме подсоединяется аккумулятор мощностью 12 В, его хватает примерно на 40 минут работы печи.

Если необходимо, то делается корпус из материала с высокой термоустойчивостью. Если же выполняется индукционная плавильная печь из сварочного инвертора, то защитный корпус должен быть обязательно, но его нужно заземлить.

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

графитовые щетки;
порошковый гранит;
трансформатор;
шамотный кирпич;
стальная проволока;
тонкий алюминий.

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

нихром;
асбестовая нить;
кусок керамической трубы.

После подключения всех составляющих печи по схеме, ее работа состоит в следующем: после подачи электрического тока на нихромовую спираль, она передает тепло металлу и плавит его.

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

Такая конструкция отличается высокой производительностью, она долго остывает и быстро нагревается. Но необходимо учесть, что если спираль будет плохо изолирована, то она быстро перегорит.

Цены на готовые индукционные печи

Самодельные конструкции печей будут стоить гораздо дешевле покупных, но их нельзя создать большими объемами, поэтому без готовых вариантов для массового производства расплава не обойтись.

Цены на индукционные печи для плавки металла зависят от их вместимости и комплектации.

Модель	Характеристики и особенности	Цена, рубли
INDUTHERM MU-200	Печь поддерживает 16 температурных программ, максимальная температура нагрева – 1400 0С, контроль за режимом осуществляется с термопарой типа S. Агрегат производит мощность 3,5 кВт.	820 тыс.
INDUTHERM MU-900	Печь работает от электропитания в 380 Вт, температурный контроль происходит с помощью термопары типа S и может доходить до 1500 0С. Мощность – 15 кВт.	1,7 млн.
УПИ-60-2	Эта индукционная плавильная мини-печь может использоваться для плавки цветных и драгоценных металлов. Заготовки загружаются в графитовый тигель, их нагрев ведется по принципу трансформатора.	125 тыс.
ИСТ-1/0,8 М5	Индуктор печи представляет собой корзину, в которую встроен магнитопровод совместно с катушкой. Агрегат 1 тонну.	1,7 млн.
УИ-25П	Печное устройство рассчитано на загрузку в 20 кг, он оснащен редукторным наклоном плавильного узла. В комплекте к печи идет блок конденсаторных батарей. Мощность установки – 25 кВт. Максимальная t нагрева – 1600 0С.	470 тыс.
УИ-0,50Т-400	Агрегат рассчитан на загрузку в 500 кг, самая большая мощность установки – 525 кВт, напряжение для него должно быть не ниже 380Вт, максимальная рабочая t – 1850 0С.	900 тыс.
ST 10	Печь итальянской компании оснащена цифровым термостатом, в панель управления встроена технология SMD, которая отличается быстродействием. Универсальный агрегат может работать с разной вместительностью от 1 до 3 кг, для этого ее не нужно переналаживать. Она предназначена для драгоценных металлов, ее max температура – 1250 0С.	1 млн.
ST 12	Статическая индукционная печь с цифровым термостатом. Она может быть дополнена вакуумной литьевой камерой, что дает возможность производить литье прямо рядом с установкой. Управление происходит с помощью сенсорной панели. Максимальная температура – 1250 0С.	1050 тыс.
ИЧТ-10ТН	Печь рассчитана на загрузку в 10 тонн, довольно объемный агрегат, для его установки нужно выделить закрытое цеховое помещение.	8,9 млн.

Технологические процессы производства и обработки различных материалов нередко включают и этап прохождения термического воздействия. Таким образом выполняется закалка, сушка при высоких температурах, пайка и другие процедуры. Реализовать подобные мероприятия в обычных печах даже промышленного назначения не всегда представляется возможным. Ограничения могут быть связаны с недопустимостью контакта с воздушной средой. Поэтому для решения таких задач используется вакуумная печь, обработка в которой также исключает процессы излишнего деформирования и коробления заготовок.

Назначение и сферы применения вакуумных печей

Операции термического обжига в вакууме применяются в машино- и приборостроении, в строительной отрасли, на различных производствах и т. д. Например, в приборостроении с помощью такого агрегата выполняется операция обезгаживания элементов, которые в дальнейшем становятся компонентами различной аппаратуры. В рамках этого же направления вакуумная печь позволяет качественно осуществлять пайку и финишную герметизацию отдельных участков на электротехнических платах.

Распространена и операция спекания. С ее помощью в строительстве и производстве придаются необходимые эксплуатационные качества керамическим изделиям, твердотельным сплавам, порошкам тугоплавкого металла и т. д. Отдельно стоит отметить металлургическую промышленность, которая также заинтересована в операциях термообработки. К примеру, вакуумная печь позволяет реализовывать процедуры закалки, старения и отпуска сплавов. Таким обработкам могут подвергаться различные стали, бронза и магний.

Основные технические характеристики

Производительность печной конструкции нередко становится основным критерием выбора модели. В данном случае установки располагают потенциалом от 3 до 20 кВт. Причем на качество и эффективность при оказании термического воздействия этот показатель влияет в минимальной степени. Как правило, мощность повышается по мере увеличения объема загрузки, что зависит уже от габаритов конструкции. Так, в стандартные промышленные модели такого типа можно загружать от 15 до 40 кг материала в среднем. Но встречаются и агрегаты, позволяющие обслуживать за раз до 100 кг. Наделенная средними характеристиками индукционная плавильная печь способна за одну смену обслуживать до 9000 кг. Что касается качества и эффективности воздействия внутри камеры, то учитывать следует непосредственно температурный диапазон. Он составляет от 1800 до 2000 °С.

Процесс выплавки

Технология в традиционных агрегатах основывается на действии дугового разряда. Происходит контакт электрического тока и газовой смеси. Далее полученная дуга благодаря высокой концентрации в вакууме обеспечивает повышенное тепловое воздействие. Даже при небольшой мощности вакуумно-дуговая печь способна расплавлять стальные заготовки.

При этом существует два принципа теплопередачи по отношению к материалу. Это прямое и косвенное воздействие. В первом случае дуга формирует энергию между электродом и заготовкой, которая при такой конфигурации получает максимум тепла. Косвенный нагрев предусматривает работу с двумя электродами, которые на некотором расстоянии воздействуют на объект. Очевидно, что вакуумная печь с прямой теплопередачей эффективнее, но она допускает больший процент негативных факторов термической обработки.

Разновидности печей

Базовой моделью вакуумного печного сооружения является описанная выше дуговая конструкция. С помощью такой оснастки можно обслуживать большинство разновидностей сложного металлического сплава, в том числе тугоплавкие изделия. Другой разновидностью является индукционная плавильная печь, в устройстве которой предусматривается наклонный тигель. Как раз в тигле и реализуется процесс переплавки материала, загружаемого в рабочую камеру. Индукционный принцип работы считается наиболее дорогостоящим в обслуживании, поэтому его используют реже и только при необходимости работы со сложными металлами. К особым видам вакуумных печей относится электроннолучевой агрегат. Такое устройство дает на выходе очищенные сплавы и металлические слитки. Конструкционно оборудование представляет собой термическую пушку, которая посредством направленного воздействия реализует лучевой обжиг изделия.

Преимущества и недостатки вакуумных печей

По сравнению с обычными печами для термообработки вакуум позволяет осуществлять высокоэффективное тепловое воздействие на заготовки. При этом у оператора есть возможность гибкой регулировки параметров нагрева, которую, например, предусматривает вакуумная индукционная печь с тиглем. К достоинствам таких конструкций относят и возможность получения относительно чистого металлического материала. То есть сама технология исключает чрезмерное загрязнение массива инородными частицами - продуктами термообработки.

Что касается недостатков, то они связаны с низким ресурсом частей, формирующих конструкцию. Дело даже не в изъянах материала составных элементов, а в жестких условиях, которые требуются для обеспечения производительной термообработки и которые влияют на структуру рабочих поверхностей. Кроме того, вакуумная печь, цена которой в среднем составляет 500-700 тыс. руб., доступна немногим предприятиям. Все же высокое качество спекания и расплава - это дорогой способ, ограничивающий его применение.

Производители

Поставкой вакуумных печей занимаются лишь крупные предприятия, сотрудничающие с институтами проектирования и разработки промышленного оборудования. Сегодня высококачественные агрегаты такого типа на отечественный рынок поставляют зарубежные производители SCHMETZ и XERION. Данная продукция ориентируется и на выполнение типовых термических операций, и на специализированные задачи наподобие диффузного отжига. Московский завод промышленного оборудования, специализирующийся на выпуске вакуумных электропечей, также предлагает достойные по характеристикам агрегаты. С помощью такого оснащения владелец может осуществлять отпуск металла, спекание и стандартные термические процессы. Автоматические модели предлагает «Завод Спецжелезобетон», разрабатывающий высоковакуумные агрегаты с объемными камерами загрузки.

Заключение

Пример технологии вакуумного отжига показывает, что не всегда новые решения себя оправдывают в процессе эксплуатации. Хотя тот же Московский завод промышленного оборудования стремится оптимизировать агрегаты под нужды широкого круга предприятий-потребителей, высокая затратность процессов вакуумной термообработки для многих потенциальных клиентов делает этот способ недоступным. Отказ от таких печей обусловлен не только их стоимостью, но отсутствием необходимости получения высококачественного изделия. Тем не менее, передовые компании, работающие в высокотехнологичных направлениях промышленности, уже не могут обходиться без применения подобных средств тепловой обработки.

Индукционная печь используется для плавки цветных и черных металлов. Агрегаты такого принципа действия применяют в следующих сферах: от тончайшего ювелирного дела до промышленной плавки металлов в крупных размерах. В данной статье будут рассмотрены особенности различных индукционных печей.

Индукционные печи для плавки металла

Принцип работы

Индукционный нагрев положен в основу действия печи. Другими словами, электрический ток образовывает электромагнитное поле и получается тепло, которое используется в промышленных масштабах. Этот закон физики изучается в последних классах общеобразовательной школы. Но понятие электрического агрегата и электромагнитных индукционных котлов нельзя путать. Хоть в основе работы и там и тут лежит электричество.

Как это происходит

Генератор подключается к источнику переменного тока, который поступает в него через индуктор, находящийся внутри. Конденсатор задействуется для создания контура колебания, в основе которого лежит постоянная рабочая частота, на которую настраивается система. При возрастании напряжения в генераторе до предела в 200 В индуктор создает магнитное поле переменного действия.

Замыкание цепи происходит, чаще всего, посредством сердечника из ферромагнитного сплава. Переменное магнитное поле начинает взаимодействие с материалом заготовки и создает мощный поток электронов. После вступления в индукционное действие электропроводящего элемента в системе происходит возникновение остаточного напряжения , которое в конденсаторе способствует возникновению вихревого тока. Энергия вихревого тока преобразовывается в тепловую энергию индуктора и происходит нагревание до высоких температур плавления искомого металла.

Тепло, производимое индуктором, применяют:

для расплавления мягких и твердых металлов;
для закаливания поверхности металлических деталей (например, инструмента);
для обработки в термическом режиме уже произведенных деталей;
бытовых потребностей (обогрев и кулинария).

Краткая характеристика различных печей

Разновидности приборов

Индукционные тигельные печи

Является наиболее распространенным типом печного индукционного нагрева. Отличительной чертой, отличной от других видов является то, что в ней переменное магнитное поле появляется при отсутствии стандартного сердечника. Тигель в форме цилиндра размещается внутри индукторной полости . Печь, или тигель изготавливается из материала, который прекрасно сопротивляется огню и подключается к переменному электрическому току.

Положительные аспекты

Тигельные агрегаты относят к экологически чистым источникам тепла , окружающая среда не загрязняется от плавки металлов.

В работе тигельных печей присутствуют недостатки:

при технологической обработке используются шлаки пониженной температуры;
произведенная футеровка тигельных печей имеет низкую стойкость против разрушения, больше всего это заметно при резких скачках температур.

Имеющиеся недостатки не представляют особенных трудностей, достоинства тигельного индукционного агрегата для плавки металла очевидны и сделали такой тип приборов популярным и востребованным среди широкого круга потребителей.

Канальные печи индукционной плавки

Такой тип нашел широкое применение в плавильном деле цветных металлов. Эффективно используется для меди и медных сплавов на основе латуни, мельхиора, бронзы. Активно плавят в канальных агрегатах алюминий, цинк и сплавы в составе этих металлов. Широкое использование печей этого типа ограничено из-за невозможности выполнить футеровку, стойкую к разрушениям, на внутренних стенках камеры.

Расплавленный металл в канальных печах индукционного типа совершает тепловое и электродинамическое движение , что обеспечивает постоянную однородность смешивания компонентов сплава в печной ванне. Использование канальных печей индукционного принципа оправдано в случаях, если к расплавленному металлу и изготовленным слиткам предъявляются особые требования. Сплавы получаются качественными в плане коэффициента насыщения газами, присутствия в металле органических и синтетических примесей.

Индукционные канальные печи работают по типу миксера и предназначаются для выравнивания состава, поддержки постоянной температуры процесса, и выбора скорости разлива в кристаллизаторы или формы. Для каждого сплава и состава литья существуют параметры специальной шихты.

Достоинства

подогревание сплава происходит в нижней части, к которой нет воздушного доступа, что уменьшает испарение с верхней поверхности, нагретой до минимальной температуры;
канальные печи относят к экономичным индукционным печам, так как происходящее расплавление обеспечивается маленьким расходом электрической энергии;
печь имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря применению в работе замкнутого контура магнитного провода;
постоянная циркуляция в печи расплавленного металла вызывает ускорение плавильного процесса и способствует однородности перемешивания компонентов сплава.

Недостатки

стойкость каменной внутренней футеровки снижается при использовании высоких температур;
футеровка разрушается при плавлении химически агрессивных сплавов из бронзы, олова и свинца.
при плавлении загрязненной низкосортной шихты происходит засорение каналов;
поверхностный шлак на ванне не нагревается до высокой температуры, что не позволяет проводить операции в промежутке между металлом и укрытием и расплавлять стружку и скрап;
канальные агрегаты плохо переносят перерывы в работе, что заставляет постоянно хранить в жерле печи значительное количество жидкого сплава.

Полное удаление расплавленного металла из печи ведет к ее быстрому растрескиванию. По этой же причине невозможно выполнить быструю перестройку с одного сплава на другой , приходится делать несколько промежуточных плавок, получивших название балластных.

Вакуумные печи индукционного действия

Этот вид имеет широкое применение для плавления сталей высокого качества и никелевых, кобальтовых и железных сплавов жаростойкого качества. Агрегат успешно справляется с плавкой цветных металлов. В вакуумных агрегатах варят стекло, обрабатывают высокой температурой детали, производят монокристаллы .

Печь относят к высокочастотному генератору, расположенному в изолированном от внешней среды индукторе, пропускающем ток высокой частоты. Для создания вакуума из него насосами откачивают воздушные массы. Все операции по введению добавок, загрузке шихты, выдаче металла производится автоматическими механизмами с электрическим или гидравлическим управлением. Из вакуумных печей получают сплавы с небольшими примесями кислорода, водорода, азота, органики. Результат намного превосходит открытые печи индукционного действия.

Жаропрочную сталь из вакуумных печей применяют в инструментальном и оружейном производстве . Некоторые сплавы из никеля, с содержанием никеля и титана являются химически активными, и получить их в других видах печей проблематично. Вакуумные печи выполняют розлив металла поворотом тигеля во внутреннем пространстве кожуха или вращением камеры с неподвижно закрепленной печью. Некоторые модели имеют в дне открывающееся отверстие для слива металла в установленную емкость.

Тигельные печи с транзисторным преобразователем

Применяют для ограниченного веса цветных металлов. Они мобильные, имеют небольшой вес и с легкостью переставляются с места на место. В комплектацию печи входит высоковольтный транзисторный преобразователь универсального действия . Позволяет подобрать мощность, рекомендуемую для подключения в сети, а соответственно ей тип преобразователя, который необходим в этом случае с изменением параметров веса сплава.

Транзисторная индукционная печь широко применяется для металлургической обработки. С ее помощью нагревают детали в кузнечном деле, закаляют металлические предметы. Тигли в транзисторных печах выполняют из керамики или графита, первые предназначены плавить ферромагнитные металлы, такие как чугун или сталь. Графит устанавливается для плавления латуни, меди, серебра, бронзы и золота. На них плавят стекло и кремний. Алюминий хорошо плавится посредством чугунных или стальных тиглей.

Что такое футеровка печей индукционного действия

Ее предназначение состоит в защите печного кожуха от разрушающего действия высоких температур. Побочным действием является сохранение тепла, следовательно, повышается результативность процесса .

Тигель в конструкции индукционной печи выполняется одним из способов:

способом выемки в маленьких по объему печах;
набивным способом из огнеупорного материала в виде кладки;
комбинированным, сочетающим керамику и прокладку буферного слоя в промежутке кладки и индикатора.

Футеровка выполняется из кварцита, корунда, графита, шамотного графита, магнезита. Во все эти материалы домешивают добавки, улучшающих характеристики футеровки, уменьшающих изменения объема, улучшающих спекание, увеличивающие стойкость слоя к агрессивным материалам.

Для выбора того или иного материала для футеровки учитывают ряд сопутствующих условий , а именно, вид металла, цену и огнеупорные свойства тигля, срок службы состава. Правильно подобранный состав футеровки должен обеспечить технические требования для проведения процесса:

получение слитков высокого качества;
наибольшее количество полноценной плавки без проведения ремонтных работ;
безопасную работу специалистов;
стабильность и непрерывность проведения плавильного процесса;
получение качественного материала при использовании экономного количества ресурсов;
применение для футеровки распространенных материалов по невысокой цене;
минимальное влияние на окружающее пространство.

Применение индукционных печей позволяет получить сплавы и металлы отменного качества с минимальным содержанием различных примесей и кислорода, что повышает их применение в сложных областях производства.

Мы уже рассказывали об индукционной технологии . Заведения общественного питания всё чаще оснащают свои кухни индукционными плитами и духовыми шкафами. Несмотря на высокую стоимость такого оборудования, преимущества от его использования вполне очевидны.

Нашла применение эта технология и в сфере, совсем не связанной с приготовлением пищи - металлургии . Индукционные печи успешно применяются не только в промышленной плавке металла (где постепенно приходят на смену традиционным печам), но и активно используются на небольших металлургических предприятиях.

Технология

Как мы уже знаем, в индукционных установках (и плавильные печи не исключение) нагрев объекта(-ов) происходит благодаря действию электромагнитного поля. Однако плавка металла - процесс высокотехнологичный , и потому установки для него имеют свои конструкционные и технологические особенности.

Состоит индукционная печь из индуктора, каркаса, камеры (тигеля) для нагрева (плавки), вакуумной системы (опционально) и механизмов наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве. Плавильный тигель, обычно, имеет удобную цилиндрическую форму и выполнен из огнеупорного материала. Распложен он в полости индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Плавится металлическая шихта, помещенная в тигель, за счет поглощения электромагнитной энергии.

Достоинства и недостатки

Главным достоинством, безусловно, является отсутствие в процессе нагрева промежуточных стадий . Тепло сразу передается объекту. Это экономит и время, и электроэнергию.

Печь быстро плавит мелкую шихту. При этом температура в камере распределяется равномерно без местных перегревов. Тем самым обеспечивается однородность химического состава в многокомпонентных сплавах.

Одна из отличительных особенностей индукционной печи - возможность создания в установке любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной). И это при любом давлении .

Наконец, оптимальная форма тигля и его хорошая защита от термических и механических повреждений позволяют полностью сливать расплавленный металл из установки.

Индукционные печи отличает простота и удобство в управлении, регулировке, обслуживании. А возможность автоматизации основных процессов делает эти установки весьма высокопроизводительными.

Из недостатков специалисты выделяют только два момента. Во-первых, низкую температуру шлаков , передаваемых на расплав для его технологической обработки. Дело в том, что шлак в установке разогревается от металла и, следовательно, его температура всегда ниже. Во-вторых, у небольших (компактных) установок слабым местом является футеровка (термостойкость и защита от механических повреждений). При высоких температурах расплава во время полного слива металла может происходить резкое колебание температуры футировки .

Виды печей

На самом деле их много, т. к. эти установки находят свое применение в самых различных областях. К примеру, в стоматологии и ювелирном производстве. Поэтому мы расскажем только о наиболее востребованных видах.

Современные индукционные печи способны плавить металл от 5 кг до нескольких десятков тонн. Говорить о промышленных вариантах смысла не имеет. Такие мощные комплексы - тема для отдельного материала. А вот о компактных установках, доступных небольшим фирмам, поговорим подробнее.

Индукционные тигельные печи до 200 кг плавки

Эти установки с транзисторным преобразователем используются для плавки от 5 до 200 кг цветных металлов и от 5 до 100 кг черных металлов. Их главное достоинство - мобильность. При необходимости они легко переставляются с места на место.

Печи комплектуются универсальным среднечастотным транзисторным высоковольтным преобразователем. Поэтому, если есть ограничения по подключаемой мощности, то её можно легко отрегулировать.

Применяются установки для нагрева массивных деталей перед кузнечной обработкой либо их глубокой закалки . Ну и, конечно, для плавки металлов. Графитовые тигли используются для плавки стекла, кремния, а также стали и чугуна, которые обладают ферромагнитными свойствами. Керамические тигли - для плавки меди, латуни, бронзы, золота и серебра. Стальные и чугунные тигли используются для плавки алюминия.

Вообще, КПД такой печи доходит до 98%. Время плавки - не более 1 часа. Сталь, выплавленная в индукционной установке (и даже компактной), на 30% крепче, выплавленной в обычной печи за счет более высокой однородности сплава.

Однако нельзя не сказать о некоторых недостатках. Из-за небольшой толщины тигля и, как уже говорилось выше, проблем с футеровкой происходит быстрая потеря тепла . Профессионалы советуют на малых установках производить плавку как можно быстрее, а последующую плавку желательно на горячем тигле. Другим неудобством является отсутствие в комплекте поставки системы водоохлаждения. Её, к сожалению, придется приобретать отдельно.

Тем не менее, по мнению специалистов, приобретение ИП с весом плавки до 200 кг - это один из лучших вариантов начала собственного металлургического дела или расширения уже существующего.

Вакуумные индукционные печи до 200 кг плавки

Печи с вакуумной обработкой металла применяются для образования сплавов точного химического состава. Полученная в них высококачественная сталь используется в продукции с высокой добавленной стоимостью.

Плавка в вакууме позволяет получить более чистые металлы и сплавы. Происходит это, во-первых, за счет интенсивного удаления газов и примесей, которые входят в состав исходных материалов. Во-вторых, за счет почти полного слияния присаживаемых компонентов с расплавливаемым материалом. Тогда как при воздушной плавке часть компонентов теряется.

Наибольшее распространение сегодня получили вакуумные печи с наклоняющимся тиглем внутри неподвижного кожуха. Их основные преимущества: возможность заливки металла в любое число изложниц или форм, удобство наблюдения за процессом разливки благодаря неподвижности смотровых окон и др.

Современные вакуумные печи имеют различные приспособления, позволяющие без нарушения вакуума производить различные технологические операции. Например, бункер для дополнительных порций шихты, дозаторы для введения в тигель в определенном порядке присадочных материалов, устройства для измерения температуры жидкого металла термопарой и для взятия его проб, скребки для зачистки тигля после слива металла и пр.

Не стоит пугаться сложности освоения установок. На самом деле технологии в производстве индукционных печей достигли такого уровня, что ИП способны работать безостановочно 24 часа, а квалификация оператора может быть минимальной.

Резюме

Производителей индукционных плавильных печей множество. Но лидером, и в этом нет ничего удивительного, является Китай . Поднебесная уже давно занимает мировое первенство по производству металлопроката. Не уступает, а в чем-то даже и превосходит китайское оборудование модельный ряд российских производителей. Наше Отечество, безусловно, также сильно своими металлургическими достижениями, поэтому потенциальному покупателю выбирать есть из чего.

Цены на печи примерно одинаковы и начинаются от 250 тысяч рублей . При этом не стоит бояться отсутствия каких-либо гарантий на китайское оборудование. Не тот случай. Здесь как раз всё в порядке. На ИП есть и гарантия и даже сервис-центры по всему миру.