Выбор частоты тока для питания индукционных тигельных печей

Толщина поверх­ностного слоя Δ_э, в котором циркулируют вихревые токи, зави­сит от удельного электрического сопротивления металла р, его относительной магнитной проницаемости и частоты тока f. Эта величина, называемая глубиной проникновения тока.

 

где: Δ_э — м; р — Ом м; f— Гц. 

 Для получения удовлетворительного КПД индукционного нагрева ди­аметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проник­новения не менее чем в 4—5 раз.

d _ц≥(4…5)Δ_э

 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. Чтобы определить мини­мальный диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе - 500 Гц, в формулу подставим значения электромагнитных характеристик жидкого чу­гуна: р_жч = 1,1*10^-6 Ом ·м; относительную магнитную проницае­мость μ_Г = 1; частоту тока f=500 Гц. При этом глубина проникно­вения Δ_э оказывается равной 0,023 м, или 23 мм.

Минимальный диаметр тигля индукционной печи промышленной частоты должен быть: d_ц ≥(4...5)·23 = 92...115 мм. Выполнение этого условия обеспечивает возможность перегрева жидкого металла в печи с минимальным приемлемым КПД. 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 92...115 мм.

К достоинствам индукционной тигельной печи средней частоты относится отсутствие «болота» и, как следствие, простота за­пуска холодной печи после нерабочих смен и перехода на новый химический состав выплавляемого металла, возможность плавки на непросушенной шихте без опасности выбросов металла.

Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого ме­талла в цехе проводится с использованием пусковых болванок. Они представляют собой слитки, диаметр которых близок к диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева.

При по­стоянной величине тока в индукторе наибольшая удельная мощ­ность (т. е. мощность, отнесенная к единице объема металла) вы­деляется в кусках, имеющих форму цилиндра, диаметр которого равен 3,5Δ_Э. Для кусков шихты в форме пластин максимальная удельная мощность соответствует условию: толщина пластин δ = 2,5Δ_Э, для шара его диаметр d = 4,8Δ_Э. Поэтому оптимальной шихтой для плавки на частоте 50 Гц будут цилиндрические куски диаметром 80 мм, пластины толщи­ной 57 мм или шаровидные куски диаметром 110 мм.

Выбор огнеупорной футеровки

Материал футеровки, наряду с огнеупорностью, должен быть устойчивым по отношению к химическому и физическому действию металла, шлака и газов в печах. В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют кислая футеровка – кварцитовая (96-99% SiO₂), из кварцевых песков, динасовая, шамотная, основная – магнезитовая (88-97% MgО), доломитовая, магнезитохромовая, нейтральная футеровка – силлиманитовая (45-70% Al₂O₃, 40-20% SiO₂), муллитовая, корундовая, цирконовая.

Для выплавки СЧ 20 выбираем кислую динасовую футеровку. Они стойкие и более дешевые. Кислую футеровку изготавливают из кремнеземистых огнеупорных материалов (в нашем случае кварцита) с содержанием окиси кремния не менее 93-98%.

В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфидно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1-1,5% борной кислоты.

Зерновой состав огнеупорной массы следующий: 5% зерен 3-2 мм; 50% зерен 2-0,5 мм и 45% зерен менее 0,5 мм. Кислая футеровка выдерживает, как правило, 80-100 плавок.

 

 

Особенности технологии плавки сплава

Выбор шихтовых материалов

Основными материалами, входящими в состав металлической шихты при плавке чугуна, являются доменный чушковый чугун, лом чугунный и стальной, брикетированная чугунная и стальная стружка, возврат собственного производства (литники, скрап, бракованные отливки). В качестве добавок в зависимости от марки выплавляемого чугуна используют ферросплавы: ферросилиций, силикокальций, ферромарганец.

Для плавки СЧ 20 в качестве металлической шихты выбираем передельный чугун, стальной лом Ст 20, возврат собственного производства, ферросилиций и ферромарганец.

Передельный чугун отличается от литейного чугуна меньшим содержанием кремния и, следовательно, большим содержанием углерода. Этот чугун обладает меньшей склонностью к выделению спели, содержит в меньшем количестве неметаллические включения, поэтому он при прочих равных условиях характеризуется большей жидкотекучестью. Передельный чугун имеет пониженное содержание марганца. При применении передельного чугуна, взамен литейного, для получения жидкого металла с требуемым содержанием кремния, необходима добавка последнего в шихту в виде доменного ферросилиция или электропечного ферросилиция. Недостающее количество марганца легко восполняется ферромарганцем. Применение в составе шихты чугуноплавильных печей передельного чугуна, взамен литейного доменного (даже с учетом стоимости ферросплавов) приводит к удешевлению стоимости этой шихты.

Также в шихту вводим стальной лом (40-50%) для уменьшения содержания углерода в чугуне. К стальному лому относятся обрезки листового и сортового железа, рельсы, болты, стальные детали и т.д.

Ферросплавы вводят в качестве раскислителей и в качестве модификаторов при плавке чугуна. Для СЧ 20 вводится ферросилиций и ферромарганец.

Расчет шихты на компьютере

Исходные данные для расчета

 Таблица 5 – Химический состав чугуна СЧ 20

 

Основные компоненты, %				Примеси, %, не более
Железо (Fe)	Углерод (C)	Кремний (Si)	Марганец (Mn)	Сера (S)	Фосфор (P)
Основа	3,3…3,5	1,4…2,4	0,7…1,0	< 0,15	< 0,2

Таблица 6 – Шихтовые материалы

№	Наименование компонентов	Хим. состав, %						Сумма всех элементов	Цена за 1 кг, руб	% шихтового материала без учета угара
		С	Si	Mn	S	P	Fe
1	Возврат чугун СЧ 20	0,36	0,27	0,65	0,045	0,04	98,635	100	10	30
2	Ст. лом Ст20	0,2	0,3	0,45	0,05	0,02	98,98	100	6	24,8
3	Передельный чугун	0,36	0,27	0,65	0,045	0,04	98,635	100	15	45,09
4	Ферросилиций ФС75	0,1	80	0,5	0,03	0,05	19,32	100	100	0,01
5	Ферромарганец ФМн90	0,2	2,0	85	0,03	0,03	12,74001	100	130	0,1

 

Рисунок 3- Расчет шихты