Horno de crisol de inducción

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Calentamiento por inducción  : calentamiento de cuerpos en un campo electromagnético debido a la acción térmica de las corrientes eléctricas de Foucault que fluyen a través de un cuerpo calentado y se excitan en él debido al fenómeno de la inducción electromagnética . En este caso, la corriente en el producto calentado se denomina corriente inducida o inducida. Se denominan instalaciones de inducción a los dispositivos electrotérmicos diseñados para el calentamiento por inducción de cuerpos o la fusión de determinados materiales. Un horno de inducción es una parte de una instalación de inducción, que incluye un inductor, un marco, una cámara para calentar o fundir, un sistema de vacío , mecanismos para inclinar el horno o mover productos calentados en el espacio, etc. Un horno de crisol de inducción (ITF ), que también se denomina horno de inducción sin núcleo, es un crisol de fusión , generalmente de forma cilíndrica, hecho de material refractario y colocado en la cavidad de un inductor conectado a una fuente de corriente alterna . La mezcla de metalesse carga en el crisol y, absorbiendo energía electromagnética, se funde.

Ventajas y desventajas

Ventajas de los hornos de fusión de crisol:

  1. Liberación de energía directamente en la carga, sin elementos calefactores intermedios;
  2. Circulación electrodinámica intensiva de la masa fundida en el crisol, que asegura una fusión rápida de carga fina, residuos, igualación de temperatura en el volumen del baño y ausencia de sobrecalentamiento local, lo que garantiza la producción de aleaciones multicomponentes de composición química homogénea;
  3. La posibilidad fundamental de crear cualquier atmósfera en el horno (oxidante, reductora o neutra) a cualquier presión ;
  4. Alto rendimiento debido a las altas densidades de potencia , especialmente en frecuencias medias ;
  5. La capacidad de drenar completamente el metal del crisol y la masa relativamente pequeña del revestimiento del horno , lo que crea condiciones para reducir la inercia térmica del horno debido a la disminución del calor acumulado por el revestimiento. Los hornos de este tipo son convenientes para operaciones periódicas con pausas entre fundidos y brindan la capacidad de cambiar rápidamente de un grado de aleación a otro;
  6. Simplicidad y comodidad en el mantenimiento del horno, control y ajuste del proceso de fusión, amplias posibilidades de mecanización y automatización del proceso;
  7. Alta higiene del proceso de fusión y baja contaminación del aire.

Las desventajas de los hornos de crisol incluyen la temperatura relativamente baja de las escorias , que se dirigen al espejo de fusión para su procesamiento tecnológico. La escoria en el ITP se calienta del metal, por lo que su temperatura siempre es más baja, así como la durabilidad relativamente baja del revestimiento a altas temperaturas de fusión y la presencia de ciclos de calor (fluctuaciones bruscas en la temperatura del revestimiento cuando el metal está completamente drenado). Sin embargo, las ventajas de ITP sobre otras unidades de fusión son significativas y se utilizan ampliamente en diversas industrias.

Según que el proceso de fusión se realice al aire o en atmósfera protectora, los hornos se distinguen:

Al organizar el proceso en el tiempo:

Según el diseño del crisol de fusión:

Historia de la invención

El inventor del horno de inducción para fundir metales es el ingeniero e inventor ruso Alexander Nikolaevich Lodygin . [1] El primer dispositivo electrotérmico fue construido por él en 1872. Así es como Lodygin describe sus resultados: “... un horno de inducción es un tipo especial de transformador en el que el metal destinado a la fusión es el devanado primario, diseñado para un calentamiento máximo. Este es el caso cuando la ley de Joule es completamente aplicable ... dicho transformador, obviamente, puede hacerse monofásico o multifásico, y todas las modificaciones en el diseño y la combinación de transformadores que existen en la práctica son aplicables a él. .”Fue uno de los pioneros de la electrotermia industrial, habiendo creado una serie de diseños originales de hornos eléctricos, tiene 11 patentes sobre este tema. Sus intereses se centran en el uso de la electricidad en la metalurgia y en la problemática de la electrotermia industrial. De 1900 a 1905 bajo el liderazgo de A. N. Lodygin, se construyeron varias plantas para la producción de ferrocromo, ferro-tungsteno y ferrosilicio. [2]

De 1905 a 1907, A. N. Lodygin propuso varios diseños más de equipos de inducción para calentar metal. [3] En 1908, A. N. Lodygin publicó un artículo en la revista "Electricidad", en el que se describía por primera vez el principio de funcionamiento y el diseño de un horno de inducción de crisol sin circuito magnético. [4] El método y principio de funcionamiento de los hornos de inducción fue patentado por A. N. Lodygin el 19 de octubre de 1909.

Construcción de un horno de crisol de inducción

El diseño del horno de crisol consta de un crisol de fusión con una punta de drenaje, el llamado "collar", un hogar , una tapa y una capa de aislamiento térmico. El crisol de fusión es uno de los componentes más críticos del horno, lo que determina en gran medida su fiabilidad operativa. Por lo tanto, se imponen los siguientes requisitos sobre el crisol y los materiales de revestimiento utilizados:

Actualmente, los siguientes métodos se utilizan en la práctica de fabricación de ITP:

  1. Relleno de acuerdo con la plantilla directamente en el horno, cuando la plantilla soldada de chapa de acero de acuerdo con la forma de la superficie interna del crisol se instala en el hogar exactamente en el eje del horno, las masas refractarias en polvo se vierten en el espacio entre el inductor y la plantilla, y apisonado en capas con un pisón neumático o eléctrico.
  2. Producción de revestimiento por método fuera del horno: los crisoles se prensan, apisonan o moldean en moldes plegables especiales , luego los crisoles se instalan en el inductor del horno y el espacio lateral se cubre con material refractario en polvo, lo que evita que el metal líquido se rompa. a través del inductor a través de las grietas que se pueden formar en los crisoles preencendidos. El revestimiento se puede hacer más rápido con este método, lo que reduce el tiempo de inactividad del horno.
  3. Fabricación de revestimientos a partir de productos refractarios conformados. El espesor de los productos (anillos, bloques, tablestacas seccionales, ladrillos estándar en forma de cuña) debe ser tal que durante la colocación se deje un espacio (espacio anular) de 25-30 mm de tamaño entre la pared exterior de la mampostería y las bobinas de la El inductor no está formado para crear una capa amortiguadora de materiales en polvo.
  4. Soldadura de revestimientos en capas mediante gunitado o rociado de plasma de capas de trabajo de contacto en un revestimiento hecho por cualquier método. El método de pulverización permite producir una superficie de contacto del revestimiento químicamente limpia y altamente refractaria, de acuerdo con los requisitos para las aleaciones fundidas.

Para ITP, se utilizan revestimientos ácidos, básicos y neutros, cuya composición es muy diversa. Esto permite que un proceso de fusión determinado seleccione los materiales de revestimiento adecuados, la formulación de masa refractaria y la tecnología de fabricación de acuerdo con los requisitos enumerados anteriormente. El revestimiento ácido está hecho de materiales refractarios silíceos ( arena de cuarzo , cuarcita , ladrillo de sílice molido ) con un contenido de óxido de silicio de al menos 93-98%. Se utiliza un extracto de sulfito - celulosa como material aglutinante (fortalecedor) y se añade una solución de ácido bórico al 1-1,5% como mineralizador . Composición granular de la masa refractaria: 5% granos 3-2 mm, 50% granos 2-0,5 mm, 45% granos < 0,5 mm. El revestimiento ácido resiste 80-100 derretimientos. El revestimiento principal está hecho de refractarios de magnesita en estado presinterizado o fundido, es decir, los que tienen la mayor constancia de volumen. Para reducir la contracción a altas temperaturas (1500-1600 °C) y proporcionar cierto crecimiento a temperaturas medias (1150-1400 °C), lo que evita la formación de grietas por contracción, se utilizan mineralizadores como el cromo, la arena de cuarzo o las cuarcitas. La arcilla se usa como aglutinante (hasta un 3% en peso de magnesita) humedeciéndola con una solución acuosa de vidrio líquido o melaza (hasta un 12%). Se considera la mejor masa refractaria en términos de composición de granos: 50% granos 6–0,5 mm, 15% granos 0,5–0,18 mm, 35% granos < 0,18 mm. Los datos sobre la vida útil del revestimiento principal son extremadamente contradictorios y fluctúan para crisoles de diferentes capacidades. Cabe señalar que la resistencia del revestimiento principal es menor que la del revestimiento ácido, y además existe un inconveniente: la formación de grietas. El revestimiento neutro se caracteriza por un alto contenido de óxidos anfóteros (Al 2 O 3 , ZrO 2 , Cr 2 O 3 ). En muchos casos, tiene características refractarias superiores a las ácidas o básicas, y permite fundir aleaciones resistentes al calor y metales refractarios en el IHF. Actualmente, el revestimiento neutro está hecho de refractarios de magnesita-cromita [5] , electrocorindón , dióxido de circonio y circón (ortosilicato de circonio ZrSiO 4 ). También es posible fabricar crisoles de composición neutra a partir de algunos compuestos refractarios ( nitruros , carburos , siliciuros , boruros , sulfuros ), que pueden resultar prometedores para fundir pequeñas cantidades de metales refractarios químicamente puros al vacío y en medios reductores o neutros. Aún no se utiliza la fusión en crisoles de gran capacidad, que justificaría el uso de materiales de revestimiento tan caros.

La tapa del horno, que sirve para reducir las pérdidas de calor por radiación , es de acero estructural [6] y está revestida por el interior. La tapa se abre manualmente o con la ayuda de un sistema de palanca (en hornos pequeños), o con la ayuda de un accionamiento especial ( hidráulico o electromecánico).

La solera del horno, que sirve de base sobre la que se instala el crisol, suele ser de ladrillos o bloques de arcilla refractaria (para hornos grandes) o de losas de fibrocemento [7] apiladas unas sobre otras (para hornos pequeños). hornos de pequeña capacidad).

Inductor de horno

El inductor es el elemento principal del horno, diseñado para crear un campo electromagnético que induce una corriente en la carga. Además de su objetivo principal, también debe desempeñar la función de un elemento estructural importante que percibe la carga mecánica y térmica del crisol de fusión y determina en gran medida la fiabilidad del horno en su conjunto. Fuerzas electrodinámicas radiales significativas actúan sobre el inductor:

Además, el enfriamiento del inductor debe garantizar la eliminación del calor causado por las pérdidas eléctricas, y el aislamiento eléctrico de las bobinas del inductor debe excluir la posibilidad de una falla eléctrica que provoque la quema del tubo del inductor y una emergencia. Por lo tanto, el inductor ITP debe proporcionar:

Estos requisitos se cumplen en el ITP de la siguiente manera. Por lo general, el inductor es una bobina cilíndrica de una sola capa ( solenoide ), cuyas vueltas se colocan en forma de espiral (inductor en espiral) con un ángulo de inclinación constante, determinado por el paso del empaque, o una bobina, todo el cuyas vueltas están ubicadas en planos horizontales, y las transiciones entre vueltas adyacentes se llevan a cabo mediante secciones inclinadas cortas, - tal inductor se llama inductor con transposición de vueltas. La ventaja es la sencillez del relleno (sobre el tambor, tendido bobina a bobina), sin embargo, los planos extremos de las bobinas del inductor no son horizontales, lo que dificulta el acoplamiento axial del inductor. La fabricación de un inductor con una transposición es más difícil, ya que se requieren dispositivos especiales para realizar la transposición, sin embargo, los extremos del inductor en este caso resultan estar en planos horizontales, lo que facilita el apriete de las vueltas del inductor utilizando placas finales, anillos de tensión, etc. Debido a las grandes cargas de corriente, el inductor ITP prácticamente siempre se realiza con refrigeración por agua. Para asegurar pérdidas eléctricas mínimas en el inductor, se deben cumplir las siguientes condiciones:

Estas condiciones pueden cumplirse si el inductor está hecho de un tubo hueco de cobre de secciones redondas, rectangulares de paredes iguales, de paredes diferentes o especiales. En este caso, los tubos de paredes iguales se usan, por regla general, para hornos de alta frecuencia, y los tubos de paredes diferentes se usan para frecuencia industrial. El aislamiento eléctrico del inductor debe tener una alta rigidez dieléctrica, ser resistente al polvo y la humedad, soportar vibraciones y temperaturas elevadas (≈200–300 °C) y ser reparable. En la práctica, hay varias formas de realizar el aislamiento entre vueltas:

  1. aire: el espacio entre las vueltas adyacentes es lo suficientemente grande (10-20 mm) para excluir la posibilidad de una avería. El aislamiento del aire se realiza a un voltaje relativamente bajo en el inductor, en los casos en que es posible fijar rígidamente cada vuelta por separado (en hornos de pequeña capacidad);
  2. bobinado: se aplica una capa de barniz aislante a la superficie previamente preparada de las vueltas, luego las vueltas se envuelven con una cinta con una alta impermeabilidad dieléctrica (por ejemplo, cinta de mica de vidrio). La cinta generalmente se enrolla "en una semisuperposición". Tal aislamiento se usa ampliamente;
  3. aislamiento de juntas: las juntas se colocan en los espacios entre las vueltas, hechas, por ejemplo, de fibra de vidrio. El cable inductivo se recubre previamente con un barniz aislante y las juntas se pegan a las espiras con un adhesivo especial a base de epoxi. Este tipo de aislamiento se utiliza en hornos de gran capacidad;
  4. aislamiento rociado: se aplica una capa delgada de óxido de aluminio Al 2 O 3 o dióxido de circonio ZrO 2 al cable de inducción, es decir, en su superficie preparada previamente (granallado y desengrasado) por un método de llama de gas o plasma , que tienen altas propiedades dieléctricas y se adhieren bien a un inductor de cobre. Encima de esta capa se suele aplicar una capa de barniz. Este tipo de aislamiento es muy utilizado en la actualidad;
  5. el aislamiento monolítico que utiliza una composición compuesta de poliéster tiene un uso limitado debido a la dificultad de reparar el inductor en caso de daños locales en el tubo o en el propio aislamiento.

Para garantizar la rigidez y la resistencia mecánica del inductor, se utilizan los siguientes métodos para sujetar sus vueltas:

El sistema de refrigeración por agua del inductor está diseñado para eliminar la potencia activa perdida en el inductor (Pu) y la potencia de las pérdidas de calor por conducción de calor desde el metal fundido a través del revestimiento del crisol (Rt.p.). Condiciones para la fiabilidad del sistema:

  1. las impurezas mecánicas en el agua de refrigeración no deben superar los 80 g/m³ y el valor de la dureza de carbonato (temporal) debe ser de 7 g-eq/m³;
  2. la temperatura del agua saliente (calentada) debe ser tal que evite la formación de incrustaciones, generalmente se toma igual a 35-40 ° C, lo que corresponde a una temperatura de pared del inductor de 40-50 ° C;
  3. temperatura del inductor: no debe ser inferior a la temperatura ambiente, de lo contrario, la humedad del aire se condensará en el inductor, lo que provocará una falla entre las vueltas;
  4. la presión requerida a la entrada del inductor, según las condiciones de la red de agua de la fábrica, debe limitarse a 200 kPa. Si, de acuerdo con el cálculo, esta presión excede el límite, entonces el sistema de enfriamiento por agua debe dividirse en secciones y todas las secciones del enfriamiento del inductor se conectan a la línea de enfriamiento en paralelo;
  5. el caudal del agua de refrigeración debe ser seguro: no menos de 0,5 m/s para crear un movimiento turbulento de agua, evitando la deposición de impurezas mecánicas y sales que caen del agua en las paredes del tubo inductor (debido a un disminución de su solubilidad cuando se calienta el agua), y no más de 1, 5 m/s, para no aumentar la pérdida de presión más allá del valor permitido.

Armazón de un horno de crisol de inducción

El marco (carcasa) del horno sirve como base constructiva para fijar todos los elementos principales del horno. Al mismo tiempo, se le imponen dos requisitos principales: garantizar la máxima rigidez de toda la estructura del horno en su conjunto y la mínima absorción de energía por parte de los elementos del marco, ya que se encuentran en el campo magnético perdido del inductor. Actualmente, los siguientes esquemas de marcos básicos se utilizan en hornos de crisol:

  1. Un marco que tiene la forma de un paralelepípedo rectangular, cuyos bordes están hechos de un material no magnético (por ejemplo, de una esquina de duraluminio o acero no magnético), y los bordes están cerrados con una lámina de cemento de asbesto. Los hornos de pequeña capacidad (menos de 0,5 toneladas) y los hornos de laboratorio se fabrican con dichos marcos. Para reducir el calentamiento de las esquinas metálicas del marco, sus elementos metálicos individuales están aislados entre sí con juntas aislantes para excluir las corrientes de anillo en el marco del marco. El inductor en dicho marco generalmente se une a las losas de cemento de asbesto inferior y superior.
  2. La estructura metálica suele ser cilíndrica, realizada en forma de bobinado continuo de chapa gruesa de acero con cortes (“ventanas”) para el acceso al inductor o en forma de “jaula de ardilla” formada por postes metálicos verticales soldados a la parte superior. y postes de apoyo inferiores. Entre los bastidores hay acceso al inductor. Dichos marcos se utilizan principalmente en hornos de mediana y gran capacidad.

Circuitos magnéticos y pantallas de un horno de crisol de inducción

En la práctica, se utilizan tres métodos para reducir las pérdidas en el marco del horno debido a campos dispersos:

  1. eliminación de elementos metálicos del marco a una distancia suficiente del inductor con la eliminación de bucles de corriente cerrados en el marco;
  2. el uso de paquetes de circuitos magnéticos instalados entre el inductor y el marco, hechos de chapa de acero eléctrico con un espesor de 0,2; 0,35 o 0,5 mm;
  3. el uso de pantallas magnéticas en forma de láminas de cobre o aluminio relativamente delgadas ubicadas directamente en la superficie interna de la carcasa.

Dado que la caja de metal forma un circuito cerrado alrededor del inductor, el uso de pantallas en este caso es inevitable. Por regla general, las pantallas magnéticas (núcleos magnéticos) se utilizan en hornos industriales. Los circuitos magnéticos, además de su función principal (conducir un flujo magnético externo dentro del marco), cumplen la función de un elemento estructural que asegura la rigidez del inductor y del horno en su conjunto. Esto se logra debido al hecho de que la fijación y la regla radial del inductor se realizan mediante paquetes de circuitos magnéticos presionados contra el inductor mediante pernos de presión especiales montados en el cuerpo del horno. La fuerza de presión se puede ajustar. La fijación del inductor en la dirección axial se puede realizar mediante abrazaderas soldadas a las caras laterales de los circuitos magnéticos (a las abrazaderas superiores) y pasadores que atraen los paquetes de circuitos magnéticos al fondo del horno. Gracias a esta solución constructiva, todos los esfuerzos que surgen durante el funcionamiento del horno, y percibidos por el inductor, se transmiten a través de los circuitos magnéticos al cuerpo y al fondo, lo que permite descargar el revestimiento y aumentar su durabilidad y fiabilidad. del horno en su conjunto.

Dispositivo de contacto del horno de crisol de inducción

El equipo eléctrico incluye:

Los equipos eléctricos e instrumentos de medida en el caso de altas y altas frecuencias deberán tener un diseño especial que permita el uso de equipos especiales en la zona de alta frecuencia.


El interruptor S le permite cambiar el coeficiente de acoplamiento del inductor y la carga durante el proceso de fusión. Tal cambio es necesario debido al hecho de que la resistencia activa de la mezcla es diferente en diferentes puntos del proceso. Los contactores K1, K2, K3 le permiten cambiar la capacidad del banco de capacitores de compensación durante el proceso de fusión y mantener cos.=1 en el circuito del inductor. Esto tiene que hacerse, porque durante la fusión la resistencia inductiva de la carga también cambia, ya que la permeabilidad magnética, la magnitud de las corrientes parásitas, etc. cambian.

Mecanismo de inclinación del horno de crisol de inducción

El mecanismo de inclinación del horno está diseñado para drenar el metal y es uno de los componentes importantes del diseño de cualquier horno de fusión de crisol. Para reducir la longitud del chorro de metal y para no mover la cuchara de vertido de acuerdo con el movimiento de la punta del horno (como, por ejemplo, en el funcionamiento de los hornos de arco de acero), el eje de inclinación IHF se coloca cerca de la punta. . Para inclinar hornos de pequeña capacidad (60 y 160 kg), se utiliza un polipasto de bahía de horno, diseñado para cargar la carga en el crisol. Para inclinar el horno, el gancho de telfer se conecta a un pendiente fijado en el marco del horno. Cuando el tambor de elevación gira, el gancho gira el horno al ángulo requerido (alrededor de 95-100°). La parte principal del mecanismo de inclinación hidráulica del horno son cilindros de trabajo de simple efecto, instalados uno a cada lado del horno. Los émbolos de los cilindros, articulados al cuerpo del horno, se mueven hacia arriba por la presión del fluido de trabajo (generalmente aceite) e inclinan el horno. Los cilindros están montados sobre bisagras que permiten que los cilindros giren en el proceso de inclinación del horno de acuerdo con el arco descrito por la cabeza del émbolo. El horno desciende por su propio peso cuando se elimina la presión del fluido de trabajo de los cilindros. Si el horno se va a inclinar hacia ambos lados (cuando actúa como un acumulador-mezclador calentado), el mecanismo de inclinación hidráulica está equipado con dos pares de cilindros de trabajo, cada uno de los cuales inclina el horno hacia un lado, y los pasadores de émbolo de el segundo par de cilindros sirve como eje de rotación del horno. El mecanismo de inclinación hidráulica es de diseño simple, proporciona un giro suave, pero para su funcionamiento es necesario contar con una unidad de presión hidráulica. La desventaja de este mecanismo de inclinación también debe considerarse la necesidad de un espacio bastante grande debajo del horno para la instalación de cilindros hidráulicos (de trabajo), lo que en algunos casos excluye su uso.

El mecanismo para levantar y girar la bóveda

Por lo general, se utilizan mecanismos de elevación de palanca o leva simples, que permiten levantar fácilmente la cubierta de 1 a 2 cm, luego de lo cual se lleva hacia un lado girando el soporte del que cuelga. Es posible levantar la tapa con un pequeño cilindro hidráulico. Muy a menudo, las tapas selladas de los hornos de inducción al vacío se levantan de esta manera.

Véase también

Notas

  1. ↑ Andrey R. INVENTOS RUSOS QUE CAMBIARON EL MUNDO . MOIARUSIA (6 de junio de 2016). Fecha de acceso: 16 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 17 de febrero de 2019.
  2. ↑ A. N. Lodygin (enlace inaccesible) . lounb.ru. Consultado el 16 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 23 de febrero de 2019. 
  3. ↑ La historia de la aparición de los hornos de crisol de inducción . Consultado el 1 de julio de 2022. Archivado desde el original el 24 de julio de 2021.
  4. ↑ Alexander Nikolaevich Lodygin . RusCable.Ru. Fecha de acceso: 16 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 17 de febrero de 2019.
  5. ↑ cromita de magnesita: un material refractario hecho de una mezcla de polvo de magnesita (65-80 %) y cromita molida. Utilizado en hornos metalúrgicos y de cemento.
  6. ↑ acero estructural - el nombre general de los aceros destinados a la fabricación de estructuras de edificios y partes de máquinas o mecanismos
  7. ↑ cemento de asbesto: un material de construcción obtenido mediante el endurecimiento de una mezcla acuosa de cemento Portland y fibra de asbesto . Impermeable, resistente al fuego y resistente a las heladas, tiene una mayor resistencia química

Enlaces

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