Применение индукционного нагрева для приготовления жидкого металла

Занятие 1

ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

История тигельной плавки металла

Плавка  металла  в  огнеупорных  тиглях — так называемый тигельный метод — зародилась давно и относится к древнейшим временам. Так, известно, что в таких древнейших центрах человеческой культуры, как Китай, Индия, Сенаар, Элам,  Вавилония, Египет производилась тигельная плавка за 2000—5000 лет до нашей эры [3—5]. Выдающиеся работы по научным основам формирования огнеупорных тиглей из обожженных муллитизированных огнеупоров,  глинозема  и  кварцевого песка с присадками титанистых  минералов, смеси прозрачного кварца, густо рассеянного среди общей  аморфизованной и высокой степени муллитизированной массы глинистого минерала (каолинита), были выполнены М. В.  Ломоносовым [6].

Систематическое  и  широкое  использование в металлургии тигельного метода в России  связано с работами талантливого  русского металлурга-практика и новатора Семена Ивановича Бадаева. Он в 1808 г. применил тигельный метод плавки  стали и выполнил ценные разработки по изготовлению огнеупорных тиглей. Первые опыты С. И. Бадаева на  Боткинском заводе в 1810 г. осуществлялись с применением тиглей емкостью  6 фунтов металла (—2,5 кг). О работах С. И. Бадаева сообщала петербургская газета «Северная почта» в 1811 г., № 45. Ученый-металлург Павел Петрович Аносов является основателем производства литой высококачественной стали в огнеупорных тиглях [7].  Плавка стали тигельным способом П. П. Аносовым  проводилась на Златоустовском заводе в 1828—1837 гг.

В огнеупорных тиглях вели также многолетние изыскания  по изготовлению литой булатной стали в России.  Результаты этих работ были изложены П. П. Аносовым  в статье «О булатах», опубликованной в 1841 г. в «Горном журнале».

Известный русский металлург П.  М. Обухов, продолжая работы П.  П. Аносова, получил  в 1897 г. патент на  тигельный  способ  плавки орудийной  стали. «Обуховская» орудийная сталь была очень высокой по качеству  и славилась во  всем мире.

Плавка  металла в  огнеупорных тиглях с применением электротермии является дальнейшим совершенствованием тигельного метода.

Пионерами промышленной электротермии и электрометаллургии  были  русские  ученые  [8].  В.  В.  Петров, открыв в  1802 г. явление электрической дуги, указал  на возможность ее использования для мгновенного расплавления  металлов.  Этим  и  было  положено начало  электрометаллургии.

Изобретение И. Ф. Усыгиным оригинального трансформатора, работающего на принципе электромагнитной  индукции,   позволило создать индукционную печь. В 1882 г. этот трансформатор был продемонстрирован  впервые на промышленной выставке в Москве.  Первая индукционная печь промышленного типа была  создана  в 1901  г.

В 1905—1907 гг. известный   русский  изобретатель  лампочки накаливания А.  Н. Лодыгин  предложил ряд  оригинальных конструкций индукционных нагревателей,  которые легли в основу более совершенных  конструкций  индукционных печей. Результаты этих работ были опубликованы в 1908 г. [7].  К этому периоду относится также  и организация  фабричного производства огнеупорных тиглей  в России.  Производство  тиглей было начато в Петербурге, а затем группой русских  промышленников  была  основана  специальная тигельная  мастерская  в г. Луге Петербургской губернии  [3]. В  настоящее время  большой тигельный завод в г. Луге имеет всероссийское значение.

Таким образом, русскими учеными  и производственниками  был сделан  значительный   вклад  в развитие тигельного  метода плавки  металла в индукционных тигельных печах.

2. Промышленное внедрение и совершенствование индукционных тигельных печей

Первые промышленные индукционные тигельные печи были небольшой емкости и работали на токах высокой частоты — 100000 гц и выше, получаемых от  ламповых генераторов. Эти печи называли высокочастотными. По мере перехода  к печам  большей емкости  выяснилось, что частоту тока можно значительно снизить.  В  настоящее время  промышленные  печи емкостью  от десятков килограммов  до нескольких тонн работают на  частоте тока преимущественно в пределах от 500 до 10000 гц, получаемого от машинных генераторов.

По  международной  классификации  индукционные печи, работают в указанных пределах частот,  относятся к среднечастотным. Тем не менее в технике до настоящего времени за ними сохранилось  название высокочастотных [8; 9]. Индукционные высокочастотные печи большой емкости, работающие на машинных генераторах, стали широко применять  в  электрометаллургии как в России так и за границей  в 30-х годах.

Инициатива внедрения этих печей в  принадлежит коллективу научных сотрудников центральной радиолаборатории под руководством  проф. В.  Н. Вологдина [10]. В 1930—1935 гг. проектирование и изготовление индукционных высокочастотных  печей в  России было организовано на заводе «Электрик»  в Ленинграде. До Великой Отечественной  войны  изготавливались печи емкостью от 50 до 4000 кг. Основные технические данные, характеризующие  эти печи, приводятся  в табл. 1. Эти данные составлены на основании материалов  конференции по электротермии и электропечам,  проходившей  в Академии  наук СССР [11].

По  данным, опубликованным в  справочнике металлургических заводов и  статистическом  еженедельнике Британской Федерации  железа и стали, как сообщается в работе [12], в капиталистических странах, где имеется раздельный учет электропечей по типам, количество действующих высокочастотных плавильных печей составляло (по неполным данным за 1953 г.): в Японии — 95, в Англии — 69, в США — 40, в Швеции — 27, во Франции — 24, в Бельгии — 19 печей.