Індукційне нагрівання

Індукційні плавильні печі мають індуктор - котушку, що підключається до мережі перемінного струму. При протіканні по котушці струму в навколишнім її просторі виникає перемінне електромагнітне поле. При впливі перемінного полючи на металеві тіла останні нагріваються. Швидкість нагрівання залежить від теплофізичних властивостей металу, що нагрівається, і параметрів магнітних і електричних полів.

Основні фізичні характеристики магнітного полю:

1) В - магнітна індукція, Тл, Вб/м²;

В = μ μо Н

де μ - магнітна проникність речовини; Гн/м. -8

μо - абсолютна магнітна проникність, μо = 125 10 Гн/м.

2) Ф - магнітний потік, Вб;

Ф = В F

де F - площа, м²

3) Н - напруженість магнітного полю, А/м;

Н = I (2 пR)

де I - сила струму в провіднику, А;

R - відстань від осі провідника, м.

При значній відстані між двома прямолінійними провідниками їх магнітні полючи практично не взаємодіють між собою. Однак, якщо відстань між провідниками мало, їх магнітні полючи впливають один на одного. Якщо вектори магнітної індукції полів мають однаковий напрямок, то взаємодія полів приводить до збільшення магнітної індукції сумарного полючи. Якщо напрямок векторів протилежно, то результатом взаємодії полів буде зменшення магнітної індукції полючи.

На мал.120 (Л1) показаний круговий провідник, по якому тече струм, і деякі з ліній двох магнітних полів, утворених діаметрально протилежними ділянками провідника. Силові лінії усередині кругового провідника, тобто в охопленому їм просторі, мають однаковий напрямок. У результаті цього магнітне поле усередині підсилюється (мал.121 Л1). Силові лінії зовні провідника, тобто в зовнішньому просторі, мають протилежний напрямок, тому напруженість магнітного полючи значно менше, ніж усередині.

Застосовуючи індуктор у виді котушки з великим числом витків, можна створити сильне магнітне поле, здатне довести метал до розплавлювання. У котушці, що має кілька витків, створюється магнітне поле, більш рівномірне, чим у круговому чи прямолінійному провіднику.

Зміна магнітного полю завжди супроводжується появою електричного полю.

Основні фізичні характеристики електричного полю:

Е - інтенсивність електричного полю,

U - електрична напруга, В;

U = 4.44 f Ф

де f - частота струму, який живить індуктор, Гц;

Ф - максимальне значення магнітного потоку, Вб;

Силові лінії електричного полючи розташовані в площині, перпендикулярної до силових ліній магнітного полючи. Силові лінії електричного полючи замкнуті, тобто виникаюче електричне поле є вихровим. Таке поле викликає в тілі рух електронів по замкнутих траєкторіях і приводить до виникнення електрорушійної сили (ЕДС). ЕДС індукції не залежить від роду речовини тіла і його фізичного стану, а залежить від магнітного потоку і швидкості його зміни.

Таким чином, якщо в перемінне магнітне поле помістити предмет, у ньому виникає вихрове електричне поле. Виникаючий електричний струм називають вихровим, чи струмом Фуко, по імені ученого, який відкрив це явище. Вихрові струми нагрівають тіло. Масивні тіла мають невеликий електричний опір, тому вихрові струми в них можуть бути великими.

У технічних розрахунках використовують термін "глибина проникання струму". Для спрощення розрахунків вважають, що в провіднику струм тече лише в поверхневому шарі товщиною Δ.

Δ - глибина проникання струму, м; ______

Δ = 503 \/ р/ (μ f)

де р - питоме електроопір тіла, що нагрівається, Ом м;

μ - магнітна проникність тіла, що нагрівається, Гн/м.;

f - частота струму, що живить індуктор, Гц.

Величина електричного струму залежить від електричного опору провідника, тому важливо знати розміри площі провідника F, по якій тече струм.

F = l Δ

де l - ширина шару, по якому проходить електричний струм, м

Δ - глибина проникання струму, м.

Умови нагрівання металевих тіл у магнітному полі котушки залежать від співвідношення між діаметром тіла і глибиною проникання струму d/Δ. При нагріванні металевих тіл, у яких d/Δ < 3,5, магнітні полючи підсилюються, а електричні послабляються, тому дуже тонкі тіла, знаходячись у магнітному полі, не нагріваються. При d/Δ > 3.5 практично виключається взаємодія електричних полів, створюваних на протилежних сторонах тіла, що нагрівається. Для одержання максимального електричного ККД діаметр тіла повинний у 10 разів перевищувати значення Δ.

Коефіцієнт потужності індукційної печі. При протіканні електричного струму по індукторі енергія з мережі витрачається на створення магнітного полючи. Частина енергії полючи затрачається на нагрівання металевих тіл, що знаходяться в цьому полі, а інша частина повертається назад в електричну мережу.

S - кількість енергії, узятої з електричної мережі, називається повною потужністю, вольт-ампер,В А;

Р - частина енергії, витраченої на нагрівання, називається активною потужністю,

Q - частина енергії, що повертається в мережу, називається реактивної (індуктивної) потужністю, вольт-ампер реактивний ВАР.

S² = Р² + Q²

Графічна залежність між S, Р, Q показана на мал.126. Активна і реактивна потужності являють собою катети, повна потужність гіпотенузу прямокутного трикутника. Кут між S і Р позначений буквою φ. Відношення активної потужності до повного Р/ S = cos φ.

Поняття cos φ широко використовується в техніку. За значенням cos φ судять про завантаження електромережі. Чим вище cos φ, тим раціональніше використовується мережа. При cos φ = 1 у теплову енергію перетвориться вся енергія, що відбирається з мережі. При низьких значеннях cos φ у теплову енергію може бути перетворена тільки невелика частина всієї енергії, що відбирається з мережі, при cos φ = 0 вся енергія, що відбирається з мережі, спочатку перетворюється в енергію магнітного полючи, а потім знову повертається в мережу. У цьому випадку відбувається лише завантаження мережі, а корисне перетворення енергії в теплоту відсутнє.

Підвищити cos φ індукційної печі стосовно живильного електричній мережі можна підключенням паралельно індуктору конденсаторів.

4.2.Індукційні печі без сердечника (тигельні)

В індукційних тигельних печах у ливарному виробництві виплавляють різні метали і сплави (сталь, чавун, мідь, бронзу, алюміній).

Принцип дії тигельної печі полягає в тому, що метал, який розплавляється, поміщають у простір, що пронизується перемінним магнітним потоком. Під дією виникаючої ЕДС у металі тече струм, метал нагрівається і плавиться. Для того щоб не завантажувати електричну мережу великою індуктивною потужністю, паралельно індуктору підключають конденсатори. Число конденсаторів, що підключаються, по ходу плавки змінюється, тому що міняється в процесі нагрівання електричний опір шихти, а в деяких випадках і її магнітні властивості.

Магнітний потік, створюваний індуктором, проходить по замкнутих лініях як усередині його так і зовні. У залежності від способу проходження магнітного потоку з зовнішньої сторони індуктора розрізняють відкриту, екрановану і закриту конструкції печей.

Число магнітопроводів і їхні розміри визначають у залежності від потужності печі, частоти живильного струму, характеристики трансформаторної сталі. Закриту конструкцію широко застосовують у печах великої місткості.

Велике значення для роботи індукційної печі має частота живильного струму. Кожному значенню місткості печі й електричному опору шихти відповідає визначена частота струму. При виборі частоти струму враховують, що внутрішній діаметр тигля повинний бути чи більше дорівнює 3,5 глибини проникання струму в шихту. Нижче приведені орієнтовані співвідношення між місткістю тигля в межах індуктора і частотою струму для сталі і чавуна.

Внутрішній діаметр тигля, мм 300 500 575 1500

Місткість печі, м³ 0,036 0,14 0,225 3,6

Маса розплавленого металу, т 0,25 1 1,6 25

Частота струму, Гц 500-2000 50-1000 50-500 50-500

Індукційні тигельні печі складаються з наступних основних частин: індуктора, магнітопроводів, каркаса, футерівки, механізму нахилу, електроустаткування і системи охолодження печі.

ІНДУКТОР. Індуктор являє собою циліндричну котушку з мідної трубки. Індуктор виготовляють з міді тому, що нею поглинається менше енергії електромагнітного полючи, чим сталлю й іншими матеріалами. Профіль мідної трубки різноманітний: круглий, квадратний, прямокутний. Товщину стінки мідної трубки вибирають у залежності від частоти живильного струму. Виходячи з необхідності забезпечення мінімальних втрат енергії в трубці, товщина її стінки повинна бути на 30% більше глибини проникання струму. Розмір отвору в трубці обумовлений витратою охолодної її води. Поперечний переріз трубки залежить від струму, що протікає по індукторі.

Для підведення і відводу води й електроенергії індуктор має припаяні штуцери. Між витками індуктора встановлюють електроізоляційні прокладки. Індуктор покривають шаром епоксидної смоли, чим забезпечується надійна електрична ізоляція одного витка від іншого. На мал.6.16 показаний індуктор 1, підготовлений до монтажу в індукційну тигельну піч промислової частоти для плавки чавуна місткістю 31т у зібраному виді з верхньої 10 і нижньої 3 водоохолоджуємимі котушками, верхнім 9 і нижнім 2 кільцями і натяжним пристроєм.

Індуктор має 23 витка і виготовлений із трубки прямокутної форми 62х50 мм зі стінкою товщиною 11 мм. Між витками встановлені ізоляційні прокладки 8. Зовнішня поверхня індуктора обклеєна листовим азбестом 6 товщиною 10 мм. Натяг індуктора здійснюється штангами 7, гайками 4 і тарілчастими пружинам 5. Штанги рівномірно розташовані по зовнішній окружності індуктора. Охолодні кільця 9, 2 і охолодні котушки 10,3 призначені для охолодження футерівки печі по усій висоті індуктора.

У печах промислової частоти верхній рівень індуктора встановлюють нижче рівня металу, унаслідок чого зменшується меніск на поверхні ванни і виключається викид металу з тигля через електродинамічну циркуляцію.

МАГНІТОПРОВІД. Щоб уникнути нагрівання металевих частин печі полями розсіювання навколо індуктора встановлюють зовнішній магнітопровід з листової трансформаторної сталі. Магнітопровід складається з окремих пакетів, розташованих рівномірно по периметрі індуктора.

На печах промислової частоти магнітопроводи виготовляють зі сталі товщиною 0,5 мм, а на печах підвищеної частоти – 0,35 мм. Довжина пакетів магнітопроводу більше висоти індуктора. Пакети кріплять до каркаса печі болтами і установлюють упритул до індуктора, що забезпечує твердість конструкції і мінімальне розсіювання магнітного потоку. Розташування пакетів магнітопроводу по периметрі печі показане на мал.6.17.

КАРКАС. Каркаси печей невеликої місткості виконують з дерева й азбоцементу, а також з немагнітних металів. Каркаси печей великої місткості повинні мати велику твердість і міцність, тому їх виготовляють із профільної сталі, швелера, куточка, балки. на мал.6.17 видні вертикальні ребра жорсткості каркаса. Каркас сприймає всі навантаження, що виникають при розширенні печі (при її нагріванні), її нахилі, при зливі металу і шлаку.

ФУТЕРІВКА. Умови роботи індукційної печі висувають визначені вимоги до її футерівки. Футерівка повинна витримувати механічний вплив рідкого металу, що особливо важливо для печі великої місткості (понад 10 т). Футерівка з боку рідкого металу повинна мати щільну спечену поверхню, через яку він не зможе просочитися. З боку індуктора футерівка повинна бути не спеченої. Це попереджає утворення в ній наскрізних тріщин. Наявність неспеченого шару виключає проникання рідкого металу до індуктора. Стійкість футерівки визначає термін служби печі до чергового ремонту. У залежності від металургійного процесу застосовують кислі чи основні вогнетривкі матеріали. Футерівка печі складається з подини 1, тигля 2, верхнього кільця 4 і кришки 3 (мал. 6.18). Як правило, при виготовленні футерівки печі застосовують вогнетривкі маси і для подини - фасонні вогнетривкі вироби.

Зернової склад набивної маси дуже впливає на довговічність набивний футерівки. Так, при використанні дрібних фракцій одержують гарне спікання і більш щільну футерівку, добре конфронтуючому впливу металу і шлаку. Але при високому змісті дрібних фракцій стінки футерівки швидко і глибоко спікаються, що значно зменшує термічну стійкість футерівки і приводить до утворення в ній наскрізних тріщин. При великій кількості великих фракцій футерівка менш щільна, спікливість маси знижена.

Для футерівки 30-тонних тигельних печей застосовують кварцит з наступним зерновим складом у %:

Понад 2 мм у межах................ 8 - 14

У тому числі понад 3,2 мм не більш.. 5

Понад 0,5 до 2 мм у межах..... 37 - 44

Менш 0,5 мм у межах............ 46 - 51

У тому числі менш 0,1 мм у межах..27 - 32

Вологість кварциту не перевищує 0,3 %.

Для кращої спікливості додають борну кислоту з розрахунку 1,2% з наступними показниками, %: H3BO3 не менш 98,6; хлоридів не більш 0,002; сульфідів не більш 0,5; заліза не більш 0,003.

Кришку печі виготовляють набивний з вогнетривкої чи маси фасонних вогнетривких виробів. Кришка 30-тонної тигельної печі футерується набивний муллитокорундовою масою, що містить, %:

AI2O3 не менш 80, Fe2O3 не більш 1,2, P2O5 у межах 3,0 - 3,5.

Футерівку печі сушать, плавно підвищуючи температуру, що виключає відшаровування футерівки. Піч нагрівається включенням індуктора в електричну мережу. Попередньо в піч завантажують кілька сталевих чи чавунних блоків, що, нагріваючи вихровими струмами, розігрівають футерівку печі. Звичайний час нагрівання до температури 1000^оС не перевищує 10 годин. Потім у піч до висоти зливального носка заливають рідкий метал і піч переключають на більш високий ступінь напруги. Футерівка печі спікається при робочій температурі протягом 1 години. Температура спікання футерівки при плавці чавуна 1500^оС.

МЕХАНІЗМ НАХИЛУ. При розливанні металу каркас печі з індуктором і футерівкою у зборі необхідно нахиляти на 95-100^о. Індукційні печі невеликої місткості мають ручні механізми нахилу (лебідки). Великі печі мають, як правило, механізм нахилу з гідравлічним приводом. Піч нахиляють гідравлічним циліндром, з'єднаним за допомогою шарнірів з її каркасом і рамою, установленої на фундаменті. Гідравлічний циліндр гнучкими шлангами з'єднаний з насосною станцією: тиск, створюваний у ньому, досягає 20 МПа. З протипожежних розумінь у гідросистемах замість олії доцільніше застосовувати непалену рідину.

Таблиця 1

Основні технічні данні тигельних індукційних печей для плавки сталі та чавуну

Тип печі	Ємність, т	Потужність печі, кВт	Швидкість плавки, т/год	Частота робочого току, Гц	Питомі витрати електроенергії, кВт год/т
ІСТ-0,06/0,16 ІСТ-0,16/0,25 ІСТ-0,25/0,32 ІСТ-0,4/0,5 ІСТ-1/0,8 ІСТ-2,5/2,4 ІСТ-6/2,4 ІЧТ-1/0,4 ІЧТ-2,5/1,0 ІЧТ-6/2,5 ІЧТ-10/4,0 ІЧТ-21,5/7,1 ІЧТ-31/12,5 ІЧТ-60/25	0,06 0,16 0,25 0,4 1,0 2,5 6,0 1,0 2,5 6,0 10,0 21,5 30,0 60,0		0,22 0,30 0,4 0,72 1,3 3,0 3,0 0,6 1,7 3,7 6,6 11,9 18,9 40,0

ЕЛЕКТРОУСТАТКУВАННЯ. У комплект грубної установки входить трансформатор, конденсаторні батареї, перетворювач частоти струму, щити керування і живильні кабелі. Крім цих вузлів на печі мається електричне устаткування для нахилу печі, циркуляції охолодної води, різні прилади контролю параметрів роботи печі і пульт керування піччю. Індукційні тигельні печі, що працюють на підвищеній чи високій частоті, мають додатковий перетворювач частоти (тиристорний чи машинний).

СИСТЕМА ОХОЛОДЖЕННЯ ПЕЧІ. Такі елементи печі, як індуктор, конденсатори, кабелі, можуть працювати тільки при їхньому інтенсивному охолодженні. Для охолодження використовують переважно воду. Невеликі печі прохолоджуються звичайною водопровідною водою. Великі печі прохолоджуються спеціально підготовленою водою.

Дата добавления: 2014-11-18