Высокотемпературная индукционная печь

 

Использование: электрометаллургия, в частности в конструкциях индукционных тигельных печей для плавления и высокотемпературной обработки материалов. Сущность: в индукционной печи, содержащей индуктор, холодный тигель, в котором коаксиально установлен отделенный теплоизоляционным слоем внутренний тигель, последний изготовлен из карбида кремния и снабжен изготовленными из того же материала верхней и нижней крышками, в которых выполнены отверстия, а толщина стенки внутреннего тигля равна величине, определяемой по формуле: , где ω - круговая частота в индукторе; μ - магнитная проницаемость материала внутреннего тигля; γ - электропроводность материала внутреннего тигля. 1 ил.

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности, к конструкциям индукционных тигельных печей для плавления и высокотемпературной обработки материалов.

Известна индукционная печь, содержащая индуктор, тигель, внутри которого свободно установлен графитовый цилиндр. Выбранные соотношения внутреннего и внешнего дивметров графитового цилиндра определяют толщину его стенки не менее глубины проникновения электромагнитной волны в графит [1] Недостатком печи является невозможность ее эксплуатации в окислительной атмосфере, в частности на воздухе, при температуре выше 1100^oC, т.к. при взаимодействии с кислородом графитовый цилиндр быстро разрушается, а его толщина не является оптимальной для эффективного поглощения электромагнитной энергии в нем, что значительно снижает электрический КПД печи.

Рабочую температуру печи при эксплуатации на воздухе можно повысить до 1800 1900^oC, если для защиты графитового тигля использовать специальные покрытия из тугоплавкого и химически инертного материала по отношению к графиту и огнеупорному материалу [2] Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является конструкция индукционной печи, содержащая индуктор, холодный тигель, внутри которого коаксиально установлен графитовый тигель, а зазор между тиглями заполнен электроизоляционным материалом [3] Недостатком известной электропечи является невозможность осуществления высокотемпературных процессов в окислительной среде, например на воздухе, при температуре выше 2000^oC, т. к. в указанной печи высокотемпературные процессы (обработка или плавление) могут осуществляться только в инертной атмосфере или в вакууме. Кроме того, из-за интенсивного теплового излучения с открытой поверхности высокотемпературного расплава значительно снижается эффективность нагрева.

Задачей изобретения является создание печи, обеспечивающей ее работоспособность в воздушной окислительной среде при температуре не ниже 2000^oC.

Поставленная задача решается за счет того, что в индукционной печи, содержащей индуктор, холодный тигель, в котором коаксиально установлен отделенный теплоизоляционным слоем внутренний тигель, последний изготовлен из карбида кремния и снабжен изготовленными из того же материала верхней и нижней крышками, в которых выполнены отверстия, а толщина стенки внутреннего тигля равна величине, определяемой по формуле: где w круговая частота тока в индукторе, m магнитная проницаемость материала внутреннего тигля, g электропроводность материала внутреннего тигля.

На чертеже представлена схема предлагаемой печи.

Индукционная печь содержит индуктор 1, охватывающий холодный тигель 2, внутри которого размещен внутренний тигель 3 в виде полого цилиндра, изготовленного из карбида кремния. Между тиглями 2 и 3 расположен теплоизоляционный слой 4. По торцам полый цилиндр снабжен крышками 5 и 6.

В верхней крышке 5 выполнено отверстие 7 для загрузки материалов и отверстие 8 для выхода газов.

В нижней крышке 6 выполнено отверстие 9 для разгрузки материалов.

Электропечь работает следующим образом.

Через отверстие 7 крышки 5 во внутренний тигель загружают обрабатываемый или переплавляемый материал. Высокочастотный ток, протекающий в индукторе 1, создает электромагнитное поле. Внутренний тигель из карбида кремния под действием вихревых токов, наводимых электромагнитным полем, быстро разогревается до требуемой температуры и выделяемая тепловая энергия передается обрабатываемому или переплавляемому материалу.

Газы, образующиеся в результате технологического процесса, удаляются через отверстие в верхней крышке 5.

Холодный тигель снимает все тепловые потоки, идущие от внутреннего тигля, и защищает индуктор 1 от теплового излучения.

Крышки, установленные по торцам тигля, также снижают тепловые потери из высокотемпературной зоны рабочего объема печи, что значительно повышает ее тепловой КПД и соответственно температуру в рабочем объеме, т.е. во внутреннем тигле 3.

Выбранная толщина стенки внутреннего тигля 3, равная величине 0,2^oC0,6 глубины проникновения электромагнитной волны в материал стенки, т.е. карбид кремния, является наиболее оптимальной для выделения в нем электромагнитной энергии, что также значительно повышает КПД и соответственно температуру.

Проведенные эксперименты и расчеты показали, что при толщине стенки менее 0,2 глубины проникновения электромагнитной волны в материал внутреннего тигля (карбид кремния) энергия электромагнитной волны будет использоваться не полностью, что приведет к понижению электрического КПД печи, а также к снижению механической прочности тигля 3, а выполнение толщины стенки более 0,6 от глубины проникновения электромагнитной волны в материал стенки (карбид кремния) является нерациональной, т.к. количество выделяющей в тигле энергии не увеличится, а внутренний объем тигля уменьшится.

Использование изобретения позволит производить плавку и высокотемпературную обработку материалов в окислительной атмосфере при температуре 2000^oC3200^oC.

Формула изобретения

Высокотемпературная индукционная печь, содержащая индуктор, холодный тигель, в котором коаксиально установлен отделенный теплоизоляционным слоем внутренний тигель, отличающаяся тем, что внутренний тигель изготовлен из карбида кремния и снабжен изготовленными из того же материала верхней и нижней крышками, в которых выполнены отверстия, при этом толщина стенки внутреннего тигля равна величине, определяемой по формуле
где w - круговая частота тока в индукторе;
μ - магнитная проницаемость материала внутреннего тигля;
γ - электропроводность материала внутреннего тигля.

РИСУНКИ

Рисунок 1