Полупромышленные и промышленные установки обслуживаются высокочастотными машинными генераторами или работают от трансформаторных преобразователей.

При выборе источника питания для вакуумных индукционных печей необходимо учитывать два обстоятельства. Первое связано с возможностью возникновения электрического пробоя между находящимися в вакууме частями установки с разностью электрического потенциала. Второе относится к перемешиванию металла, которое крайне необходимо для выравнивания состава ванны при выплавке сложнолегированных сплавов. Ранее существовавшее мнение, что в индукционной печи металл хорошо перемешивается, очевидно, справедливо только для небольших печей емкостью до 100 кг при частоте питающего тока 2500 Гц, что является обычной частотой отечественных генераторов. Однако для более крупных печей работа на такой частоте не обеспечивает хорошего перемешивания ванны.

Электрический пробой в вакууме может привести к повреждению индуктора, к нарушению электрического режима. Даже при наличии изоляции индуктора обычно вокруг его витков наблюдается фиолетовое свечение, связанное с появлением тлеющего разряда.

Пробой или тлеющий разряд возникают при остаточном давлении 2,0—0,02 мм рт. ст. и при напряжении на индукторе >400 В. Следовательно, при работе на более высоком напряжении, которое необходимо для передачи на индуктор нужной мощности, приходится применять изоляцию.

При выборе изоляции рекомендуется учитывать воздействие на нее следующих факторов: .

1. Диэлектрической напряженности силового поля.

2. Механических нагрузок при вибрациях индуктора, набивке тигля при наклонах печи.

3. Конденсации паров металла и примесей, испаряющихся из жидкой ванны при плавке.

4. Термических нагрузок.

Толщину наносимой на витки индуктора изоляции можно приближенно рассчитать по следующей формуле [120]:

Обычно изоляцию выполняют в виде нескольких слоев лака, наносимых на поверхность тщательно подготовленного и зачищенного индуктора. Каждый последующий слой наносится после просушивания предыдущего слоя. Поверх лака индуктор обматывается в несколько слоев липкой стеклотканью, резиностеклотка-невой лентой, липкой полихлорвиниловой изоляцией или другими термостойкими изоляционными материалами.

Однако сама по себе изоляция полностью не устраняет пробоев или тока утечки. Она разрушается под действием тлеющего разряда. Изоляция наиболее эффективна в области низких давлений, когда,пробойное напряжение не превышает рабочего.

Экранировка витков индуктора совместно с нанесением изоляции предотвращает тлеющий разряд. Для экранировки на поверхность изоляции наносили слои электропроводного материала, например графитового лака и т. п. Этот слой электрически соединяли с каркасом печи. В качестве примера приведем следующий

метод экранировки [120]. На индуктор был нанесен слой силиконовой резины толщиной 1,4—1,6 мм, затем слой графита и снова слой силиконовой резины. Графит заземлили. При напряжении 1500 В и давлении 0,002 мм рт. ст. тлеющие разряды в диапазоне 760—0,002 мм рт. ст. не возникали.

В некоторых крупных печах устанавливают детектор утечки, который отключает силовой ток при появлении тлеющего разряда внутри корпуса печи. Большинство зарубежных агрегатов работают на генераторах с напряжением от 375 до 800 В.

Отечественные печи пока работают на напряжении до 1000 В. Это требует самого тщательного выполнения изоляции витков. В крупных 30-т печах изоляция индуктора состоит из двух слоев: нижний слой из силиконовой резины, навитой вполунахлестку, верхний слой из теплоустойчивой ленты, инкрустированной слюдой. Это обеспечивает достаточную механическую защиту нижнего слоя. Кроме того, материал ленты после навивки садится, так что после выполнения работы изоляция получается чрезвычайно плотной и жесткой.

Вопрос жесткости индуктора в особенности для вакуумных индукционных печей очень серьезен. Даже небольшие перемещения витков друг относительно друга ведут к повреждению изоляции и к разрушению футеровки тигля.

Для придания индуктору жесткости вся катушка стягивается с помощью колец, изготовленных либо из асбоцемента, пропитанного кремнийорганическим жаростойким лаком ФГ-9, либо из стеклотекстолита. Верхние и нижние плиты-кольца стягиваются при помощи асбоцементных или стеклотекстолитовых стоек (рис. 86).

В последнее время, как указывается в работе [121], получает распространение крепление катушки индуктора путем заливки ее в эпоксидную смолу или в бетон. Такой индуктор представляет собой монолитную конструкцию, легко собираемую и монтируемую в печи. Однако при повреждении катушки она подлежит полной замене.

Серьезной проблемой при работе крупных ВИП является перемешивание металла. Опыт работы показал, что при относительно высокой частоте 1—2,5 кГц перемешивание ванны происходит слабо. В слитках, полученных в этих печах, наблюдается сегрегация компонентов по сечению слитка.

Эту проблему можно решить двумя способами. Один из них заключается в применении вспомогательного силового трансформатора, от которого на основной индуктор подается низкая частота. На отечественных установках, например на печи ОКБ-571Б, для перемешивания металла отключают высокую частоту и на индуктор подают напряжение от силового трансформатора частотой 50 Гц. Опыты показали, что перемешивание в течение 3 мин вполне достаточно для усреднения состава ванны емкостью 0,5 т.

При расчете мощности для перемешивания можно воспользоваться данными работы [122], в которой рассматривается перемешивающий индуктор для установки ASEA—SKF.

Мощность перемешивающего индуктора для ванны емкостью 30 т рассчитывали по уравнению

Максимальная мощность, необходимая только для перемешивания, составляла 300—400 кВт.

Более сложным решением задачи перемешивания металла является установка дополнительного индуктора, как это сделано на печи фирмы «Джесооп—Сейвилл» (Англия) емкостью 1 т. Основной генератор обеспечивает напряжение 400 В и частоту 500 Гц, дополнительный трехфазовый индуктор питается от трансформатора мощностью 120 кВа током частотой 50 Гц.

В последнее время получила распространение Триплер-схема преобразования тока для питания вакуумных индукционных печей. Та-к, 7-т печь фирмы «Карпентер Стил» (США) работает на частоте 180 Гц, которая обеспечивает полное перемешивание ванны.

Триплер-схема (рис. 87) преобразует напряжение с 13 600 на 750 В и частоту с 60 на 180 Гц. Эта схема работает с большой эффективностью, равной почти 90%. Перед подачей на индуктор два трансформатора понижают напряжение еще до 400 В.

Триплер-эффект получается с помощью трех однофазных обмоток трансформатора, соединенных звездой, вторичные соединения сделаны открытым треугольником, что и дает однофазный ток. Для того чтобы получить гармоники, которые дадут эффективную мощность на выходе, сердечник трансформатора насыщен

Рис. 87. Триплер-схема преобразования переменного тока для питания вакуумных индукционных печей: 1— 13 600 В, три фазы, 60 Гц; 2 — дроссель; 3 — емкости; 4 — первичная обмотка; 5 — триплер-трансформатор; 6 — вторичная обмотка; 7 — 750 В, одна фаза, 180 Гц; 8 — гармоники пятого порядка; 9 — гармоники третьего порядка; 10 — преобразованное напряжение

Супермощные вакуумные индукционные печи питаются током промышленной частоты. 30-т печь фирмы «Циклоп стил» имеет индуктор с пятью витками высотой 1650—1780 мм и внутренним диаметром 1900 мм. Печь работает на частоте 60 Гц и обслуживается трансформатором мощностью 6650 кВт.

На схеме рис. 88 показана однолинейная схема питания 30-т печи током частотой 50 Гц с перемешиванием металла током.

Схема перемешивания металла при однофазном включении печи показана на рис. 89, а. Посредине ванны возникает горб металла. В многофазной печи, имеющей несколько секций индуктора, соединенных параллельно, возникает схема, показанная на рис. 92, б с двумя горбами на поверхности металла. Подобная схема действия электромагнитных сил обеспечивает более полное перемешивание ванны. При этом добавка, вводимая в жидкую ванну, погружается в средней части в металл и быстро размешивается. Опыты показали, что при многофазном включении скорость движения металла почти в три раза больше, чем при однофазном включении при той же частоте и мощности тока.

В 30-т тигле для перемешивания металла при многофазном включении требуется всего 13% мощности при однофазном включении для достижения того же эффекта, перемешивание не сопровождается нагревом металла.

Методы расчета электрической части вакуумных индукционных печей основываются на широко известных положениях, применяемых для расчета высокочастотных печей. Специфика в расчете может возникать только в случае близкого расположения кожуха печи к индуктору. В этом случае кожух печи может играть роль

внешнего экрана по отношению к индуктору. В кожухе будут наводиться дополнительные токи, которые снизят полезную мощность печи вследствие потерь. Кроме того, в кожухе создается магнитный поток, обратный по отношению к потоку индуктора, что уменьшает полезную мощность, выделяющуюся в садке. Все это вместе взятое приводит к снижению электрического к. п. д. печи. Чем меньше отношение диаметра обечайки кожуха к диаметру индуктора DH, тем к. п. д. печи будет ниже.

Как указывается в работе М. С. Лейканда [121], при соотношении D0IDn — 2,5 электрические потери в кожухе и уменьшение мощности в садке невелики и при расчетах могут не учитываться.

При выборе мощности генераторов и питающих агрегатов целесообразно учитывать практический опыт действующих печей, который иллюстрируется рис. 90, где показана зависимость мощности от емкости печи.