Вакуумно - индукционные печи

Вакуумные индукционные печи применяют для плав­ки высококачественных сталей и жаропрочных сплавов ,на железной, никелевой и кобальтовой основе, а также цветных металлов и сплавов. Кроме того, эти печи могут быть применены для зонной очистки, варки стекла, тер­мообработки металлических деталей, получения моно­кристаллов. Плавку и термообработку можно произво­дить в вакууме или в среде нейтрального газа. Металлы, полученные в вакуумных печах, обладают улучшенными механическими свойствами, большой износостойко­стью, антикоррозийностью, жаропрочностью. Потреб­ность в качественной стали и других металлах в народ­ном хозяйстве возрастает, поэтому растут число и мощ­ность вакуумных индукционных печей.

Вакуумные индукционные печи являются высокоме­ханизированными и автоматизированными устройствами. Загрузка шихты, введение добавок и присадок, разливка и выдача металла осуществляются механизмами с элек­трическим и гидравлическим приводом.

По назначению печи делят на лабораторные, опытно-промышленные и промышленные. Чем меньше емкость расплава, тем более высокой должна быть частота тока. Поэтому лабораторные печи емкостью от нескольких до­лей до нескольких десятков килограммов питаются от ламповых генераторов (с частотой 70—500 кГц) или преобразователей частоты 2500—10 000 Гц. Печи про­мышленного назначения с большой производительно­стью по выпуску металла имеют емкость от нескольких сотен килограммов до нескольких десятков тонн и пото­му питаются от промышленных сетей частотой 50 Гц. Печи средней емкости от нескольких сотен килограммов до 2,5 т комплектуются преобразователями частоты сред­него диапазона (500—10 000 Гц).

Печи малой емкости выполняются периодического действия; у них индуктор располагают как в вакуумной камере, так и вне ее. Разлив металла производят либо поворачивая вакуумную камеру вместе с печью, либо через дно тигля (с помощью стопорного механизма или проплавления пробки). Металл разливают в изложни­цу, помещенную внутри вакуумной камеры в патрубке с изменяющимся углом в процессе разливки («качаю­щаяся» изложница, рис. 3). Печи опытно-промышленного назначения используют для фасонного литья деталей на машиностроительных заводах. Их выполняют как периодического, так и полу­непрерывного действия. Первые снабжают дозатором для добавок шихты в процессе плавки, устройством для замера температуры и взятия проб металла для химиче­ского анализа, устройством для пробивки мостов и ших­ты, осаживания шихты и зачистки тигля после слива ме­талла. В крышке и боковых стенках камеры печи уст­раивают гляделки для наблюдения за ходом плавки и патрубок для присоединения к вакуумной системе. Ко­жух печи выполняют из нержавеющей стали, стойкой к коррозии, с двойными стенками для водоохлаждения. Для уменьшения потерь от электромагнитного поля ин­дуктора предусматривают электромагнитные экраны в виде медных листов, окружающих индуктор снаружи, или ферромагнитные экраны в виде пакетов из электро­технической стали 3411, устанавливаемые снаружи ин­дуктора у печей на 50—1000 Гц. Токоподводы проводят через вакуумное уплотнение в кожухе печи или через поворотное устройство, позволяющее поворачивать печь без нарушения вакуума. Токоподводы и индуктор охлаж­даются водой.

Рис. 3. Вакуумная индукционная печь малой емкости (160 кг по стали).

1 — поддон; 2 — изложница; 3 — ось поворота патрубка 8 с изложницей; 4 — предохранительный клапан; 5 — узел тигля с индуктором; 6 — дозатор; 7 — ось поворота изложницы.

Печи полунепрерывного действия имеют обычно три камеры: камеру загрузки, плавильную камеру и камеру изложниц. Преимуществами такой печи являются боль­шая производительность и более полная загрузка источ­ника питания, так как время простоя здесь невелико. Камеры разделены между собой шлюзовыми затвора­ми, что позволяет совмещать по времени операции за­грузки шихты, плавления металла в печи и остывания в изложницах металла, поступившего от предыдущей плавки. Каждая камера имеет свою систему вакуумной откачки, так что вакуум в плавильной камере может сохраняться в течение длительного периода работы пе­чи. Печи полунепрерывного действия выполняют на ем­кость тиглей от 0,16 до 6 т. Они имеют механизмы для опускания и подъема загрузочной камеры, для передви­жения тележки с изложницами, для открывания и закры­вания шлюзовых затворов. Несмотря на большую стои­мость вакуумных печей полунепрерывного действия из-за сложности их конструкций, общая стоимость металла, выплавляемого в таких печах, меньше, чем стоимость металла, полученного в печах периодического действия.

Рис. 4. Вакуумная индукционная печь полунепрерывного дейст­вия средней емкости (сталь 600 кг).

1 — кожух плавильной камеры; 2 — тигель; 3 — индуктор; 4 — подина; 5 — те­лежка; 6 — изложница; 7 — шток для зачистки тигля; 8 — плавильная камера; 9 — насадка для слива металла в изложницу; 10 — ось поворота печи;11 — шлюзовой затвор; 12— загрузочная камера; 13 — корзина; 14 — крышка загру­зочной камеры; 15 — привод корзины; 16 — устройство для взятия проб и из­мерения температуры металла.

Конструкция печи полунепрерывного действия сред­ней емкости приведена на рис. 4. Печь находится в цилиндрической плавильной камере с водоохлаждаемыми стенками из нержавеющей стали. На крышке камеры установлены шлюзовой затвор и загрузочная камера с корзиной и механизмом лебедочного типа. Здесь же рас­положены дозатор и устройство для взятия проб и за­мера температуры, а сбоку плавильной камеры—камера изложниц, отделенная от плавильной камеры шлюзовым затвором. Изложницы устанавливают на тележку с элек­тромеханическим приводом, позволяющим передвигать их в плавильную камеру для слива металла из печи и обратно в камеру изложниц для остывания до определен­ной температуры. Под печью предусмотрена металло-сборная чаша на случай прорыва металла из тигля. Жесткие токоподводы проходят через поворотное уст­ройство. Токоподводы и индуктор имеют водяное охлаж­дение. Изоляция витков индуктора выполнена липкой синтетической лентой; индуктор укреплен с помощью стяжек. Для наблюдения за процессом в плавильной ка­мере и камере изложниц установлены гляделки. Наблю­дение ведут с рабочих площадок, имеющих ограждение. В боковых стенках камер имеются патрубки для присое­динения к вакуумной системе. Щиты управления и кон­денсаторная батарея установлены вблизи печи.

Вакуумная система обеспечивает остаточное давление в плавильной камере до 0,1 Па, в других камерах — до 1 Па, а также быстрое восстановление исходного остаточ­ного давления при соединении ее с другими камерами. В комплект вакуумного оборудования входят бустерные паромасляные и механические насосы, механические форвакуумные насосы, вакуумные затворы и вентили, цент­робежный насос, фильтры, трубопроводы и сигнально-измерительная аппаратура.

Печи для плавки цветных металлов для повышения КПД оснащены электропроводящими тиглями. Для мед­ных сплавов и алюминия применяют графитовые тигли.

Несмотря на высокую стоимость выплавки металла в вакуумных печах, их использование расширяется, так как они окупаются высоким качеством получаемого ме­талла и малым угаром дорогостоящих легирующих при­садок. Детали, изготовленные из стали, выплавленной в вакуумных печах, имеют в 2—2,5 раза больший срок службы, а медь — меньшее удельное электрическое со­противление.

Печи питаются от машинных или тиристорных преобразователей, подключаются к се­ти промышленной частоты 50 Гц напряжением 0,38 и 6 кВ. Печи для плавки стали снабжены перемешиваю­щими устройствами.

4 Технология и применяемое оборудование при электролизной обработке.

В электротермических и электросварочных процессах изменения свойств и формы обрабатываемого материала достигаются за счет электронагрева. В промышленности широко применяют также технологические процессы, в которых для формообразования и изменения свойств ма­териалов используются, помимо электронагрева, электро­химические и механические воздействия. Значения каж­дого из этих воздействий различны для разных техноло­гических процессов. Из них рассмотрим в первую оче­редь электролиз, который получил широкое распростра­нение в металлургии цветных металлов и в ряде химиче­ских производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают главным образом путем электролиза. Кроме того, электролиз используется для рафинирования (очистки) меди, никеля, свинца, а также для получения водорода, кислорода, хлора и ряда других химических веществ.

Сущность электролиза заключается в выделении из электролита при протекании через электролитическую ванну постоянного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в ванну электродах (электроэкстракция) или в переносе веществ с одного электрода через элек­тролит на другой (электролитическое рафинирование). В обоих случаях цель процессов — получение возможно более чистых незагрязненных примесями веществ. В от­личие от электронной электропроводности металлов в электролитах (растворах солей, кислот и оснований в воде и в некоторых других растворителях, а также в рас­плавленных соединениях) наблюдается ионная электропроводность; электролиты являются проводниками вто­рого рода. В этих растворах и расплавах имеет место электролитическая диссоциация — распад на положи­тельно и отрицательно заряженные ионы.

Рис. 5. Схема электролизной ванны.

I — ванна; 2 — электролит; 3 — анод; 4 — катод; 5 — источник питания.

Если в сосуд с электролитом—электролизер поме­стить электроды, присоединенные к электрическому ис­точнику энергии, то в нем начнет протекать ионный ток, причем положительно заряженные ионы — катионы бу­дут двигаться к катоду (это в основном металлы и водо­род), а отрицательно заряженные ионы —анионы (хлор, кислород) — к аноду. У анода анионы отда­ют свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем, причем выделяющиеся на электродах газы в ви­де пузырьков поднимаются кверху. Электрический ток во внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду (рис. 5). При этом раствор обедня­ется, и для поддержания непрерывности процесса элек­тролиза приходится его обогащать. Так осуществляют извлечение тех или иных веществ из электролита (элек­троэкстракцию). Если же анод может растворяться в электролите по мере обеднения последнего, то частицы его, растворяясь в электролите, приобретают положительный заряд и направляются к катоду, на ко­тором осаждаются, тем самым осуществляется перенос материала с анода на катод. Так как при этом процесс ведут так, чтобы содержащиеся в металле анода приме­си не переносились на катод, такой процесс называется электролитическим рафинированием.

Если электрод поместить в раствор с ионами того же вещества, из которого он изготовлен, то при некото­ром потенциале между электродом и раствором не про­исходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из раствора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества. Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то на нем нач­нется выделение вещества (катодный процесс), если же более положительный, то начнется его растворение (анодный процесс). Значение нормальных потенциалов зависит от концентрации ионов и температуры. Принято считать нормальный потенциал водорода за нуль. В табл. 1 даны нормальные электродные потенциалы не­которых водных растворов веществ при +25° С.

Таблица 1. Нормальные электродные потенциалы при +25° С

Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие мень­ший отрицательный нормальный потенциал (медь, се­ребро, свинец, никель); щелочноземельные металлы вы­делить труднее всего. Кроме того, в водных растворах всегда имеются ионы водорода, которые будут выделять­ся ранее, чем все металлы, имеющие отрицательный нор­мальный потенциал, поэтому при электролизе последних значительная или даже большая часть энергии затрачи­вается на выделение водорода. Путем специальных мер можно воспрепятствовать в известных пределах выделе­нию водорода, однако' металлы с нормальным потенциа­лом меньше 1 В (например, магний, алюминий, ще­лочноземельные металлы) получить электролизом из вод­ного раствора не удается. Их получают разложением расплавленных солей этих металлов. Нормальные элек­тродные потенциалы веществ, указанные в табл. 1, яв­ляются минимальными; при них начинается процесс электролиза; практически требуются большие значения потенциала для развития процесса. Разность между дей­ствительным потенциалом электрода при электролизе и нормальным для него потенциалом называют перенапря­жением. Оно увеличивает потери энергии при электроли­зе. С другой стороны, увеличивая перенапряжение для ионов водорода, можно затруднить его выделение на катоде, что позволяет получить электролизом из водных растворов ряд таких более отрицательных по сравнению с водородом металлов, как свинец, олово, никель, ко­бальт, хром и даже цинк. Это достигается ведением про­цесса при повышенных плотностях тока на электродах, а также введением в электролит некоторых веществ.

Как уже упоминалось, все электроды в отдельных ваннах, как правило, включаются параллельно, так что ток электролизера состоит из суммы токов отдельных пар электродов: наоборот, напряжение на ванне равно напряжению на парах электродов. Ванны, в свою оче­редь, включаются последовательно, поэтому общее на­пряжение установки достигает сотен вольт. Исключени­ем являются установки для разложения воды, выпол­ненные по принципу фильтр-пресса, в которых все электроды соединены последовательно.

Рис. 6. Ошиновка ванны для электролиза алюминия с одним не­прерывным анодом и боковым подводом тока.

1—анодный стояк; 2 — анодный шинный пакет; 3 — уравнительная шина; 4 — Гибкие анодные шинки; 5 — контакт шинки со штырем; 6 — катодный стер­жень; 7 — гибкая катодная шинка; 8 — катодный шинный пакет.

В связи с тем, что токи в электролизных установках и габариты установок велики, система токоподводов весьма разветвлена, с большим количеством контактов. На рис. 6 показана схема ошиновки ванны для элек­тролиза алюминия. Как видно, она весьма сложна, пре­дусматривает двусторонний подвод тока мощными шин­ными пакетами и применение гибких компенсаторов теплового расширения. Кроме того, на случай необхо­димости отключения ванн при ремонте предусматрива­ются перемычки, соединяющие катодные пакеты двух соседних ванн, тем самым одна из них шунтируется. В качестве материала для шинопроводов применяют алю­миний и медь, реже железо. Экономическая плотность тока при электролизе составляет для алюминиевых шин 0,3—0,4, для медных 1,0—1,3, для шин из стали и чугуна 0,15—0,2 А/мм².

Сечение шин проверяют на потерю напряжения (не более 3%), на нагрев (предельная температура 70° С при окружающей температуре 25° С) и на механическую прочность. Неподвижные контактные соединения выпол­няют прижимными (шины сжимаются между двумя ли­тыми стальными плитами, стягиваемыми болтами) или сварными. Разъемные контакты выполняют на болтах; более надежны и удобны клиновые или эксцентриковые зажимы. Питание установок ввиду их большей мощности осуществляют обычно от сети высокого напряжения, и для согласования питающего напряжения с напряже­нием установок используются специальные понижающие трансформаторы, питающие преобразовательные агре­гаты для превращения трехфазного переменного тока в постоянный.

В последние годы для питания мощных электроли­зных установок все шире применяют полупровод­никовые выпрямители с плавным регулированием на­пряжения, так как их КПД высок (98—99%), они более надежны и долговечны, просты в обслуживании, постоянно готовы к работе, бесшумны и не имеют токсичных выделений. При создании мощных установок приходится включать полупроводниковые вентили параллельно, а иногда и последовательно, что вызывает трудности вследствие некоторого разброса их характеристик. Для выравнивания распределения тока между вентилями при параллельном соединении и напряжения при последо­вательном применяют специальные схемные решения.

Так как полупроводниковые вентили не способны выдерживать значительные перегрузки по току и напря­жению, применяют специальные защитные устройства, закорачивающие вентили в случае их пробоя и отклю­чающие их при появлении опасных повышений напря­жения или рабочего тока.

Регулирование выпрямленного напряжения в уста­новках с полупроводниковыми диодами возможно толь­ко на стороне переменного тока. Для этого используют переключение ступеней напряжения главного понижаю­щего трансформатора или специального регулировочного трансформатора с дистанционным переключателем сту­пеней. Для плавного регулирования напряжения в каж­дое плечо выпрямительного моста включают реактор на­сыщения.

Компоновка вентилей осуществляется обычно в шка­фах, выпускаемых на токи 13 000 и 25 000 А и на вы­прямленное напряжение 300—465 В. Из шкафов ком­плектуют преобразовательные подстанции, питающие электролизные установки. Охлаждение выпрямительных шкафов может быть воздушным или водяным.

Автоматическое регулирование преобразовательных агрегатов может осуществляться тремя способами: на постоянное напряжение; на постоянную мощность; на постоянный ток.

Регулирование на постоянное напряжение обеспечи­вает и постоянство тока для процессов, в которых отсут­ствуют анодные эффекты. Для установок для электроли­за алюминия такая система не удовлетворительна, так как при появлении анодных эффектов ток в серии ванн падает и производительность ванн уменьшается, особен­но при одновременных анодных эффектах в нескольких ваннах. При этом не только может упасть на 20—30% производительность серии ванн, но и нарушается тепло­вой режим работы ванн.

При регулировании на постоянную мощность последняя поддерживается постоянной регулятором; в упомя­нутом выше случае ток в серии падает, но меньше, чем в предыдущем случае, так как регулятор поднимает на­пряжение. При этом регулировании отсутствуют изме­нения потребляемой мощности, что желательно для энергосистемы, но требует наличия на преобразова­тельной подстанции запаса по напряжению.

Регулирование на постоянный ток является с точки зрения удовлетворения требований технологического процесса наилучшим. Однако при таком регулировании в случае падения напряжения в питающей сети или по­явления анодного эффекта регулятор поднимает питаю­щее напряжение и потребляемая мощность растет. Сле­довательно, эта система регулирования требует наличия на преобразовательной подстанции запасов как по на­пряжению, так и по мощности (обычно в пределах 7—10%).

В последнее время начаты работы по применению для питания электролизных установок, в которых име­ет место явление, анодного эффекта, параметрических источников тока, автоматически стабилизирующих ток серии вне зависимости от изменений ее сопротив­ления. 

Задача.