Использование тока промышленной частоты для питания индукционных тигельных плавильных печей представляется на первый взгляд наиболее рациональным с точки зрения экономии средств, так как не требует затрат, связанных с приобретением преобразователя частоты и с потерями энергии при его работе. Однако при решении электротехнических задач имеются ограничения по использованию тока промышленной частоты для индукционных тигельных печей. Кроме того, использование токов повышенной частоты позволяет улучшить показатели плавки и, в частности, увеличить ее производительность, уменьшить угар металла.
Для уяснения связи свойств садки тигля и необходимой частоты питающего тока воспользуемся выводами теории индукционного нагрева и четырьмя формулами, которые будут приведены без вывода.
В течение продолжительного периода плавки (от расплавления шихты и до выпуска металла) садка тигля представляет собой сплошное металлическое тело, близкое по форме к цилиндру. В теории индукционного нагрева показано, что толщина поверхностного слоя А, в котором циркулируют вихревые токи, зависит от удельного электрического сопротивления металла р, его относительной магнитной проницаемости и частоты тока. Расплавы с низким электрическим сопротивлением (на основе меди и алюминия) характеризуются меньшей глубиной проникновения тока, чем чугуны и стали. Важно отметить, что при нагреве магнитных сталей и чугунов глубина проникновения тока в них увеличивается примерно в 10 раз при переходе через точку Кюри (730...760°С в зависимости от марки сплава). Это объясняется тем, что относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков |ыг при этом уменьшается от 100 до 1.
Расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что для получения удовлетворительного КПД индукционного нагрева диаметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проникновения не менее чем в 4—5 раз.
Принято считать, что в этом случае система индуктор—садка работает в области ярко выраженного поверхностного эффекта, т. е. в нагреваемом теле существуют поверхностный токонесущий слой и сердцевина, величиной тока в которой можно пренебречь.
Цилиндр меньшего диаметра, помещенный в индуктор, оказывается «прозрачным» для электромагнитных волн, т.е., проходя через него, они не вызывают существенного нагрева. Это явление используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Поэтому сердечники выполняются не сплошными, а сборными из пластин, толщина которых много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируются одна от другой лаком или путем их фосфатации.
На практике индукционные печи промышленной частоты имеют диаметр тигля не менее 500 мм и емкость не менее 1 т.
Однако пуск такой печи на обычной твердой завалке практически невозможен, так как размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве, значительно меньше 324...400 мм. Нагрев реальной шихты на токе промышленной частоты возможен (и весьма эффективен, как будет показано далее) только до температуры точки Кюри. Вследствие этого плавку в печах промышленной частоты ведут с использованием переходной ванны (плавка с «болотом»). Для этого при выпуске предыдущей плавки в тигле оставляют так называемое «болото» — не менее 1/3 объема жидкого металла, и при проведении следующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая при загрузке в печь оказывается погруженной в жидкий металл.