Индукционная плавка приобрела исключительно ши-)окое распространение как по числу действующих уста-ювок, так и по разнообразию технологических применений в самых различных областях техники. По массе расплава устройства, использующие индукционный метод плавки, различаются на 8 порядков: от нескольких граммов в установке для высокотемпературных исследований металла до 250 т чугуна в канальном миксере. Разнообразие задач обусловило большое количество методов индукционной плавки, различающихся по своим физическим основам, принципиальной технологической схеме и конструкции оборудования, предназначенного для их реализации.

Периодическая литература, посвященная современным методам индукционной плавки, весьма обширна, од-нако ощущается недостаток в систематизации разрозненных материалов. Задачей данной книги является частичное восполнение этого пробела. Назрела также необходимость в сравнительном анализе процессов и конструкций и определении тенденций развития. В тех областях, где промышленная практика или данные исследований дают необходимый материал, делается попытка сформулировать основные из этих тенденций.

В книге наряду с типами печей и процессами, прочно вошедшими в практику, рассматриваются также новые методы и конструкции (главным образом предложенные в связи с потребностями новых областей науки и техники), перспективы применения которых еш-не определились. Тем не менее изучение их полезно, так как концентрирует внимание специалистов на еще не вполне решенных актуальных вопросах, а также способствует использованию предложенных идей для решения других задач индукционной плавки.

Ввиду охвата разнородного материала построение кинги не однотипно. В гл. 1, относящейся к традицион-

ным методам плавки с широко известными физическим! принципами и конструктивными решениями, основно* внимание уделено выявлению современных показателей процессов и печей и определению тенденций их развития В главах, посвященных новым видам плавки, описаны принципы и физические особенности метода, а также конструкции плавильного устройства. В тех случаях когда уже имеется достаточный материал, приводятся данные по технологическим и энергетическим характеристикам процесса и оборудования.

Развитие технологий вызывает все возрастающую потребность в высококачественном металле, обладающем высокими и стабильными эксплуатационными и технологическими свойствами. Непрерывно увеличивается также потребление .сплавов, предназначенных для работы в особых условиях -при высоких температурах, больших напряжениях, в агрессивных средах. Поэтому в последнем десятилетии интенсивно совершенствуются методы плавки, а также возрастает производство плавильных электропечей наиболее эффективных конструкций. Особенно сильно вырос парк индукционных печей, количество которых в мире уже в 1966 г. превысило 3000 шт.

Широкое применение индукционного метода плавки объясняется как относительной простотой индукцион-ны.х плавильных устройств, так и особенностями метода индукционного нагрева, при котором выделение тепла происходит в толще металла и в отличие от плавки с другими источниками нагрева может быть обеспечено поступление тепла к расплаву сбоку или снизу.

В жидком металле, находящемся в переменном электромагнитном поле индуктора, действуют электромагнитные силы, приводящие металл в движение [Л. 1]. Интенсивность этого движения зависит от частоты тока и конструкции печи, выбирая которые можно создавать гидродинамические режимы, наиболее благоприятные для заданного технологического процесса.

Во всех методах индукционной плавки, за исключением струйной (см. § 6), поступление в ванну энергии jie зависит от подачи расплавляемого материала (в отличие от плавки с расходуемым электродом при любом виде нагрева), а также не связано с насыщением расплава компонентами материала нагревательного устройства (в отличие от электродугового нагрева, ведущего к науглероживанию ванны, и от методов плавки с нерасхо-дуемым электродом, подверженным эрозии).

Процессы плавки и обработки жидкого металла с чп\ дукционным обогревом можно разделить на две основные группы. К первой относятся процессы, осуществ- ляемые в футерованной ванне (см. гл. 1), ко второй - \ выполняемые без соприкосновения расплава с футеровкой (см. гл. 2 и 3). При изучении второй группы npo-i цессов необходимо выделить плавку и удержание жид- кого металла при зонной очистке и в устройствах для! высокотемпературных исследований металлов (см. гл. 3), существенно отличающиеся по своему характеру и мас- штабам жидкой садки от остальных процессов обеих групп.

Процессы, выполняемые в футерованной ванне, явля- ются основными; тбхнология ИХ И соответствующие т типы печей существуют в течение нескольких десятиж тий и хорошо отработаны. По виду используемого оборудования эти процессы можно подразделить на плавку в индукционных тигельных и канальных печах.

В индукционных тигельных печах (ИТП) в полной! мере проявляются особенности метода нагрева, описан-] ные выше: выделение энергии распределено по большей] части периферии садки, металл интенсивно перемеши-] вается.

В индукционных канальных печах (ИКП) современ-] ного типа (с закрытым каналом) энергия, передаваемая электромагнитным полем металлу, выделяется почти ис-! ключительно в расплаве, заполняющем закрытый канал) относительно малого сечения, и передается оттуда ос-, новной массе садки, находящейся в ванне печи, конвекцией и теплопроводностью. Таким образом, возможности рассредоточенного выделения тепла, свойственные индукционному нагреву, реализуются в ИКП лишь частично. Значительно слабее, чем в ИТП, проявляется также электромагнитная циркуляция металла. Однако схема введения тепловой энергии в ванну снизу или сбоку- с потоком циркулирующего через нее металла, положенная в основу конструкции ИКП, имеет значительные технологические преимущества перед схемой введения тепла сверху, используемой в печах с другими источниками нагрева, так как исключает перегрев поверхности расплава и нежелательную интенсификацию процессов окисления компонентов сплава при плавке на воздухе и испарения их при плавке в вакууме. 6

Для обоих типов индукционных печей с футерованной ванной характерны равномерность распределения температуры и концентрации компонентов в расплаве, отсутствие зон местного перегрева, гибкость регулирования режима, возможность выполнения в вакуумном или компрессионном исполнении. В печах обоих типов возможна как жидкая, так и твердая загрузка с применением шихты любого вида. Однако плавка в ИКП шихты малой объемной плотности (стружка, высечка и т. п.), а также науглероживание расплава с поверхности затруднены из-за недостаточно активной циркуляции на зеркале расплава.

Особенностью ИТП является также возможность опорожнения печи для замены марки сплава или при длительном перерыве в работе.

При эксплуатации ИКП эти операции осложнены недопустимостью охлаждения канала и необходимостью предварительного заполнения его жидким металлом при пуске. Коэффициент мощности и к. п. д. заметно выше у ИКП, чем у ИТП.

Удельные мощности ИТП промышленной частоты ограничиваются интенсивностью реакций на границах расплава с футеровкой и атмосферой печи [Л. 2]. У ИКП удельные мощности лимитируются также перегревом металла в каналах. В современных конструкциях допускаются удельные мощности для крупных печей тигельного типа до 300 кВт/т и канального типа до 100 кВт/т. В соответствии с этими особенностями ИТП применяют преимущественно для плавления черных металлов и их сплавов, Цветных металлов и их сплавов с наиболее высокой температурой плавления, а также в тех случаях, когда шихта имеет мал ую объемную плотность или необходима большая производительность, ИКП - для плавления цветных металлов и их сплавов, а также в качестве миксера (доводка, выдержка и раздача расплава) для чугуна, цветных металлов и их сплавов. Положительные свойства ИКП проявляются -в наибольшей степени при непрерывных процессах.

В связи с низкой температурой шлака в индукционных печах металлургические операции рафинирования от серы и фосфора до последнего времени в этих печах не производились. Однако в настоящее время разрабатываются методы выполнения этих операций при производст-ре чугунного литья в ИТП за счет дополнительного по-