Индукционные нагревательные печи

Индукционный нагрев металла для различных целей, начиная с нагрева перед обработкой давлением и кончая термической обработкой сортового проката и отливок яв­ляется очень перспективным. Выделение тепла внутри са­мого нагреваемого металла позволяет обеспечить очень вы­сокие скорости нагрева при минимальном образовании слоя оксидов на поверхности, без возникновения значительной разности температур по сечению и, следовательно, без тер­мических напряжений. Возможность нагрева поверхностного слоя металла создает предпосылки для поверхностной термической обработки, которая трудно осуществима при других способах нагрева.

В промышленной практике индукционные установки по­лучили широкое распространение в кузнечном производст­ве для нагрева заготовок круглого или квадратного сече­ния диаметром (или стороной квадрата) от 15 до 150 мм до температуры 1200°С. Выпускается серия кузнечных ин­дукционных нагревателей типа ИН, работающих на токе повышенной частоты. Схема рабочего модуля, кз которых собираются эти ус­тановки, показана на рис. 156 (без устройств для перемещення заготовок и ро­ликов, устанавливаемых ме­жду индукторами для обес­печения транспортировки металла через нагреватель). Заготовки проходят через индукторы, которые пред­ставляют собой соленоиды.

Сечение соленоидов в зависимости от сечения нагреваемых заготовок, круглое или прямоугольное. Соленоиды выпол­няются водоохлаждаемыми из медной трубки. Поверхность трубок защищается надежной электрической изоляцией и соленоиды заливаются в блоки из огнеупорного бетона. Внутри соленоидов устанавливаются водоохлаждаемые на­правляющие из немагнитной стали для перемещения заго­товок с помощью толкателя. Нагревательные установки ти­па ИН собираются в секции из стандартных модулей, каж­дый из которых имеет длину индуктора 500 мм. Соединяя секции в группы последовательно и параллельно, получают необходимую производительность и мощность нагреватель­ной установки. Производительность установок типа ИН со­ставляет от 450 (1 модуль) до 10000 кг/ч (20 модулей), При нагреве прутков диаметром 70 – 150 мм индукторы пи­таются током с частотой 1 кГц, диаметром 35 – 120 мм 2, 4 кГц, диаметром 25 – 90 мм 4 кГц, диаметром 15 – 50 мм 10 кГц. Мощность одного модуля составляет 250 кВт.

Для подогрева трубных заготовок в станах теплой про­катки применяются индукционные нагревательные установ­ки типа ОКБ – 958, работающие на токе с частотой 8 кГц. В этих установках трубы диаметром от 32 до 108 мм с толщиной стенок от 1, 5 до 12 мм нагреваются до 400°С. В за­висимости от диаметра труб производительность составля­ет от 160 до 1200 кг/ч.

Для нагрева стальных слитков диаметром от 130 до 360 мм и длиной 420 – 700 мм перед ковкой (до температу­ры 1250°С) предназначены установки серии ИНМ мощно­стью 1000 – 1300 кВт с производительностью 3 – 3, 2 т. Эти установки питаются током про­мышленной частоты. Слитки пере­мещаются через три последова­тельно установленных индуктора с помощью толкателя. Между ин­дукторами предусмотрены про­межуточные рольганги с допол­нительными толкателями.

Имеется опыт успешной экс­плуатации установки индукцион­ного нагрева слябов толщиной 300 мм перед их прокаткой на штрипсовом стане одного из зару­бежных заводов.

Нагрев осуществляется в трех последовательно расположенных индукционных камерах. Первая камера предназначена для пере­дачи слябу максимального коли­чества тепла в кратчайшее время и имеет наибольшую мощность, Во второй камере также происходит нагрев сляба, но она позволяет одновременно выдерживать его для получения равномерного прогрева по сечению и ее мощность в два ра­за меньше. Третья индукционная камера, мощность которой еще в два раза меньше, предназначена для выдержки ме­талла.

В каждой из индукционных камер используется прямо­угольная индукционная катушка, окружающая установлен­ный на узкую грань сляб (рис. 157). Передача сляба из одной камеры в другую осуществляется при помощи теле­жек и индивидуальных подъемных механизмов, вводящих слябы через открытую нижнюю часть в каждую из нагре­вательных камер. Надежный контроль температуры в ин­дукционной камере достигнут с помощью убирающейся контактной термопары.

Установка индукционного нагрева рассчитана на загруз­ку холодных, теплых и горячих слябов. Теплые слябы поступают в нагревательные камеры с температурой 200 – 500°С, горячие — с температурой 500 – 700°С. Перед загрузкой слябов в индукционные камеры проверяют качество их поверхности и длину. Слябы поднимают затем на тележ­ки и загружают на подъемный под, укладывая их на ребро. Выдача слябов для прокатки осуществляется из камеры вы­держки. Весь комплекс операций от взятия из штабелей слябов, поступающих с машины непрерывного литья, и до выдачи их из установки на рольганг прокатного стана ав­томатизирован и находится под контролем одного операто­ра. Питание всех камер индукционного нагрева осуществ­ляется током промышленной частоты через авто­трансформаторы. В схеме питания предусмотрены кон­денсаторные батареи для коррекции cos j, который ра­вен 0, 85.

Установка такого типа для индукционного нагрева сля­бов, состоящая из шести параллельных линий (в каждой линии по три камеры), обеспечивает производительность до 600 т/ч. При количестве горячих слябов 20%, теплых 60% и холодных 20% средний удельный расход электро­энергии составляет 1050 кДж/кг (0, 29 кВт× ч/кг), а потери металла с окалиной не выше 0, 5 – 0, 8% при практическом отсутствии обезуглероживания поверхности. Эти данные позволяют считать индукционный нагрев слябов вполне конкурентоспособным по отношению к нагреву в топливных печах, особенно в тех районах, где доступна дешевая элек­троэнергия и когда предъявляют повышенные требования к качеству нагрева и потери металла с окалиной жестко регламентируют.

Представляет несомненный интерес и комбинированный нагрев сравнительно тонких заготовок толщиной 70 – 100 мм, особенно из легированных сталей, для которых не­допустимо образование окалины на поверхности. В этом случае нагрев до температур, при которых поверхность ста­ли еще не взаимодействует активно с раскаленными про­дуктами сгорания (до 700 – 750°С), осуществляется в обыч­ных топливных методических печах, а окончательный на­грев до температуры прокатки (1250 – 1300°С), когда поверхность стали подвергается интенсивному окислению и обезуглероживанию, проводится в индукционных нагрева­телях. Время достижения этой температуры меньше одной минуты. Такая технология нагрева позволяет резко сни­зить окалинообразование и поверхностное обезуглерожива­ние стали и обеспечивает высокую степень гибкости рабо­ты всей системы. В случае снижения темпа работы стана холодные заготовки пропускают только через индукцион­ные нагревательные установки. В этом случае время их на­грева составляет около двух минут.

Индукционные нагреватели, используемые в этой уста­новке, представляют собой простые соленоиды, сквозь которые (по оси) перемещают нагреваемые заготовки. Соле­ноиды выполняются из медной трубки и охлаждаются про­текающей по ней водой. Питание индукторов осуществляет­ся током частотой 3000 Гц от машинного генератора. Для уменьшения тепловых потерь от нагреваемых заготовок в окружающую среду предусмат­ривается футеровка индукто­ров огнеупорными материалами.

Индукционный нагрев в прокатном производстве нахо­дит также применение для промежуточного подогрева на сортовых многоклетьевых ста­нах, где температура заготов­ки сильно снижается в процессе прокатки. Так, при начальном сечении заготовки 120´ 120 мм и конечном 36´ 36 мм установка между клетями стана индукционной нагреватель­ной секции длиной 3 м и индукционной томильной секции длиной 2 м позволяет повысить в процессе прокатки температуру заготовки на 150 – 200°С. Для этой цели требует­ся мощность индукционной установки около 600 кВт при частоте питающего тока 3000 Гц. Подаваемая мощность за­висит от производительности стана. Включение индукцион­ной установки производится автоматически по сигналу от фотоэлемента, установленного после 1-й клети стана. Кон­струкция индукторов аналогична описанной выше.

Индукционный нагрев получил очень широкое распро­странение для термической обработки различных деталей и проката, в частности, для поверхностной закалки, для которой он исключительно удобен и эффективен. Так, при производстве рельсов осуществляют поверхностную закалку их головок. Благодаря питанию индуктора током повышен­ной частоты возникает поверхностный эффект и плотность тока на поверхности металла оказывается выше, чем в се­редине. В результате нагрев головки рельса происходит неравномерно, и значительная часть мощности выделяется в поверхностном слое металла.

Для непрерывно-последовательной закалки головок рельсов применяют плоский индуктор, изготовляемый из медной трубки прямоугольного сечения и представляющий собой плоскую обмотку (рис. 158). Водоохлаждаемый ин­дуктор, к которому подводится ток высокой частоты от ге­нератора, равномерно перемещают вдоль рельса с помощью электромеханического привода. Ускоренное охлаждение на­гретого участка поверхности закаливаемого рельса осуще­ствляется обрызгиванием его водой, подаваемой через специальные отверстия в ребрах индуктора. Такая термо­обработка рельсов позволяет резко повысить их качество и увеличить срок службы.