blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-2-97-102blackmet-1580Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ИНДУКТОРНЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙWAYS TO IMPROVE INDUCTION CRUCIBLE FURNARESЛевшинГ. Е.LevshinG. E.

д.т.н., профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Engineering Technology and Equipment”

levshing@mail.ruАлтайский государственный технический университет им. И.И. ПолзуноваРоссияAltai State Technical University named after I.I. Polzunova, Barnaul, Altai TerritoryRussian Federation20192903201962297102Copyright © Левшин Г.Е., 20192019Левшин Г.Е.Levshin G.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1580

Приведен анализ основных недостатков современных индукционных индукторных тигельных печей, обусловленных повышенной толщиной стенок футерованного тигля, наличием охлаждаемого изнутри кондиционной водой трубчатого медного однослойного индуктора и отсутствием или присутствием размещенных вокруг него стержневых вертикальных I-образных наборных магнитопроводов, образующих дискретный ферромагнитный экран. Первый недостаток заключается в том, что значительная часть рабочего электромагнитного потока Фраб не используется для полезного нагрева, так как проходит вдоль неэлектропроводной футеровки тигля, а не по садке. Эффективно используется только 38,5 – 57,0  % потока Фраб. Второй недостаток обусловливает повышенную стоимость и трудоемкость изготовления витков индуктора из специальной медной трубки, которые вибрируют с удвоенной частотой. При этом создается шум и ослабляется конструкция печи. Такие индукторы характеризуются пониженным электрическим КПД и повышенной стоимостью подготовки и охлаждения кондиционной воды в системах, занимающих площадь, в несколько раз превышающую площадь собственно печи. Третий недостаток приводит к тому, что значительная часть электромагнитного потока Фрас рассеяния не участвует в нагреве шихты и расплава, но нагревает электропроводные элементы печи, в том числе окружающие индуктор магнитопроводы. Нерациональное использование общего потока Ф, создаваемого индуктором, снижает его эффективность почти до 19 – 30 %, а коэффициент мощности cosφ до 0,03 – 0,10 и повышает расход энергии. Для уменьшения или устранения недостатков предложены и обоснованы три пути совершенствования этих печей: уменьшение толщины стенки тигля с одновременным его упрочнением путем установки цилиндрической обечайки между тиглем и индуктором, окружение индуктора кольцевым магнитопроводом и применение одно- или многопроволочного индуктора вместо трубчатого. Сочетанием цилиндрической обечайки, кольцевого магнитопровода, а также верхней и нижней плит каркаса печи может быть образована кольцевая замкнутая полость для размещения проволочного индуктора и циркулирующего хладагента, охлаждающего индуктор и магнитопровод. В  результате исследования предложена, обоснована и запатентована разработанная в АлтГТУ новая конструкция индукционной индукторной тигельной печи с проволочным индуктором и кольцевым наборным магнитопроводом. На основе экспериментального определения эффективности предложенных конструктивных элементов сделан вывод о перспективности дальнейших исследований.

 

Analysis of the main drawbacks caused by increased walls thickness of a lined crucible, presence of tubular copper single-layer inductor cooled from inside with standard water and absence or presence of core I-shaped magnetic circuits arranged around it forming a discrete ferromagnetic screen, was made for modern induction crucible furnaces. The first drawback is that a significant part of working electromagnetic flow Fwork is not used for effective heating, since it passes along the non-conductive lining of crucible, and not along the cage. Therefore, only 38.5  –  57.0  % of the flow Fwork is effectively used. The second drawback is increased cost and complexity of manufacturing of inductor coils from a special copper tube, which vibrate at twice the frequency, creating noise and weakening design of the furnace. Such inductors are characterized by reduced electrical efficiency and increased cost of preparation and cooling of conditioned water in systems that occupy an area several times greater than the area of furnace itself. The third drawback leads to the fact that a significant part of electromagnetic scattering flow of the Fconsupt does not participate in heating of charge and melt, but heats conductive elements of furnace, including surrounding magnetic inductor. Irrational use of total flow F, created by inductor, reduces its efficiency to almost 19  –  30  %, and the power factor cosφ to 0.03  –  0.10 and increases energy consumption. To reduce or eliminate disadvantages, three ways of improving these furnaces are proposed and justified: reducing thickness of crucible wall with its simultaneous hardening by installing a cylindrical shell between the crucible and the inductor, surrounding the inductor with an annular magnetic circuit and using a single or multiwire inductor instead of a tubular one. Combination of cylindrical shell, annular magnetic circuit, as well as the upper and lower plates of the furnace frame can form an annular closed cavity to accommodate wire inductor and circulating refrigerant, cooling the inductor and the magnetic circuit. As a result of the study, new design of induction crucible furnace with wire inductor and ring-type magnetic circuit developed at AltSTU is proposed, substantiated and patented. Based on experimental determination of effectiveness of the proposed structural elements, conclusion is made about the prospects for further research.

индукционные индукторные тигельные печицилиндрическая обечайкапроволочный индукторкольцевой наборный магнитопроводохлаждение индуктора и магнитопроводаinductor crucible furnacescylindrical shellwire inductorring type magnetic corecooling of the inductor and magnetic coreReferencesФарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1968. – 496 с.Farbman S.A., Kolobnev I.F. Induktsionnye pechi dlya plavki metallov i splavov [Induction furnaces for metals and alloys melting]. Мoscow: Metallurgiya, 1968, 496 p. (In Russ.).Исследование и разработка индукционных плавильных печей. Сб. трудов / Под ред. А.А. Простякова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 105 с.Issledovanie i razrabotka induktsionnykh plavil’nykh pechei [Research and development of induction melting furnaces]. Prostyakov A.A. ed. Moscow: Energoatomizdat, 1986, 105 p. (In Russ.).Электрические печи для выплавки черных и цветных сплавов / Л.М. Романов, А.Н. Болдин, А.Н. Граблев, Д.П. Михайлов. – М.: МГИУ, 2007. – 104 с.Romanov L.M., Boldin A.N., Grablev A.N., Mikhailov D.P. Elektricheskie pechi dlya vyplavki chernykh i tsvetnykh splavov [Electric furnaces for melting ferrous and non-ferrous metals]. Мoscow: izd. MGIU, 2007, 104 p. (In Russ.).Piterek Robert. A career in the service of inductive melting // Casting Plant and Technology International. 2013. No. 3. P. 18 – 21.Piterek Robert. A career in the service of inductive melting. Casting Plant and Technology International. 2013, no. 3, pp. 18–21.Современные плавильные агрегаты. Сб. ИТЦМ "Металлург". – М.: Металлург-консалтинг, 2014. – 370 с.Sovremennye plavil’nye agregaty. Sb. ITTsM “Metallurg” [Modern melting units. ITTsM “Metallurg” Digest]. Мoscow: Metallurg-konsalting, 2014, 370 p. (In Russ.).Vellen Tanja. The bright word of metals shines brighter thanever // Casting Plant and Technology International. 2015. No. 3. P. 46, 47.Vellen Tanja. The bright word of metals shines brighter than ever. Casting Plant and Technology International. 2015, no. 3, pp. 46, 47.Piterek Robert. Production flexibility combats declining batch sizes // Casting Plant and Technology International. 2015. No. 3. P. 40 – 44.Piterek Robert. Production flexibility combats declining batch sizes. Casting Plant and Technology International. 2015, no. 3, pp. 40–44.Site Inductotherm Europe Ltd [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inductotherm.co.uk. (Дата обращения: 2.02.18 г.).Site Inductotherm Europe Ltd. Electronic resource. Available at URL: http:// www.inductotherm.co.uk. (Accessed: 2.02.18).Site Ajax Tocco Magnethermic Corporation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ajaxtocco.com. (Дата обращения: 12.03.18 г.).Site Ajax Tocco Magnethermic Corporation. Electronic resource. Available at URL: http://www.ajaxtocco.com. (Accessed: 12.03.18).Site Otto Junker GmbH [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.otto-junker.com. (Дата обращения: 12.03.18 г.).Site Otto Junker GmbH. Electronic resource. Available at URL: http: www.otto-junker.com. (Accessed: 12.03.18).Site Induction Technology Corporation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inductiontech.com/Index.html#top_ of_page (Дата обращения: 12.05.18 г.).Site Induction Technology Corporation. Electronic resource. Available at URL: http://www.inductiontech.com/Index.html#top_of_ page (Accessed: 12.05.18).Site ABP Induction Systems GmbH [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.abpinduction.com. (Дата обращения: 12.05.18 г.).Site ABP Induction Systems GmbH. Electronic resource. Available at URL: http:// www.abpinduction.com. (Accessed: 12.05.18).Mehr Energieeffizienz für Aluminiumschmelzoffen // Werkstоff Fertig. 2011. No. 3. P. 39, 40.Mehr Energieeffizienz für Aluminiumschmelzoffen. Werkstоff Fertig. 2011, no. 3, pp. 39, 40.Mohamed Chaabet, Erwin Dötsch. Steelmaking based on inductive melting // Induction Technology. 2012. No. 1. P. 49 – 58.Mohamed Chaabet, Erwin Dötsch. Steelmaking based on inductive melting. Induction Technology. 2012, no. 1, pp. 49–58.Лузгин В.И., Петров А.Ю. Эффективные системы и методы индукционной плавки металлов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://reltec.biz (Дата обращения: 20.01.18 г.).Luzgin V.I., Petrov A.Yu. Effektivnye sistemy i metody induktsionnoi plavki metallov [Effective systems and methods of induction melting of metals]. Electronic resource. Available at URL: http:// reltec.biz. (Accessed 20.01.18). (In Russ.).Левшин Г.Е. Наукоемкие технологии индукционной плавки в индукторных и электромагнитных тигельных печах // Наукоемкие технологии в машиностроении». 2016. № 3. С. 12 – 21.Levshin G.E. High technology induction melting in induction and electromagnet crucible furnaces. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2016, no. 3, pp. 12–21. (In Russ.).СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах». – М.: Норматика, 2018. – 68 с.SanPiN 2.2.4.3359-16 “Sanitarno-epidemiologicheskie trebovaniya k fisicheskim factoram na raboсhikh mestakh” [Health and hygiene rules and standards SanPiN 2.2.4.3359-16 “Sanitary and epidemiological requirements for physical factors at the workplace”]. Мoscow: Normatika, 2018, 68 p. (In Russ.).Пат. 177465 РФ. Индукционная индукторная тигельная печь с кольцевым наборным магнитопроводом / Левшин Г.Е., Лев-шин А.Г. 2018. Бюл. № 6.Levshin G.E., LevshinA.G. Induktsionnaya induktornaya tigel’naya pech’ s kol’tsevym nabornym magnitoprovodom [Induction crucible furnace with ring type magnetic conductor]. Patent RF no. 177465. Byulleten̕ izobretenii. 2018, no. 6. (In Russ.).Левшин Г.Е., Матюшков И.Л. Литье в магнитные формы. – Барнаул: изд. АлтГТУ, 2006. – 688 с.Levshin G.E., Matyushkov I.L. Lit’e v magnitnye formy [Magnetic casting forms]. Barnaul: izd. AltGTU, 2006, 688 p. (In Russ.).Пат. 177475 РФ. Индукционная индукторная тигельная печь с проволочным индуктором / Левшин Г.Е., Левшин А.Г. 2018. Бюл. № 6Levshin G.E., LevshinA.G. Induktsionnaya induktornaya tigel’naya pech’ s provolochnym induktorom [Induction crucible furnace with wire inductor]. Patent RF no. 177475. Byulleten̕ izobretenii. 2018, no. 6. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.