Индукционные канальные электропечи.

 

Работа индукционной канальной печи основана на использовании явления электромагнитной индукции. По устройству канальная печь напоминает конструкцию силового трансформатора: она имеет стальной расслоенный магнитопровод М, первичную обмотку – индуктор w₁ и вторичную обмотку в виде замкнутого канала, заполненного жидким металлом, w₂ (рис. 2.43).

 

 

 

Рис. 2.43. Схема индукционной канальной печи.

 

В магнитопроводе наводится переменный магнитный поток Ф₁. Этот переменный поток по закону электромагнитной индукции наводит во вторичной обмотке переменную ЭДС U₂. Ее действующее значение, В, равно:

 

U₂ = 4,44Φ₁w₂ f,                                                                        (2.46)

 

где Ф₁ – магнитный поток, создаваемый индуктором, Вб; f – частота тока, Гц; w₂ – число витков вторичной обмотки (обычно w₂ =1).

Так как канал с расплавленным металлом представляет собой короткозамкнутый виток, в нем возникает ток I₂. При прохождении тока по металлу выделяется тепловая энергия, Дж, которая и разогревает металл:

 

 Q_a = I₂²R₂t,                                                                               (2.47)

 

где R₂ – активное электрическое сопротивление металла в канале, Ом; t – время прохождения тока, с; I₂ – ток в канале печи, A.

Индукционная канальная печь отличается от трансформатора следующими характерными чертами:

1) совмещением вторичной обмотки с нагрузкой;

2) наличием во вторичной обмотке только одного витка (канала);

3) высотой канала, небольшой по сравнению с высотой индуктора;

4) влиянием поверхностного эффекта, так как глубина проникновения тока соизмерима с толщиной канала;

5) низким коэффициентом мощности печи cosφ_п из-за наличия большого потока рассеяния Ф_s, вызванного необходимостью футеровки печи.

Практически Ф_s составляет приблизительно 20–25 % Ф₁, поэтому

 

U₂ < U₁ /k_тр,                                                                         (2.48)

 

где k_тр = w₁/ w₂ – коэффициент трансформации; для печи k_тр = w₁.

Реактивная мощность канальной печи в несколько раз больше ее активной мощности из-за большого зазора между индуктором и каналом печи. Естественный коэффициент мощности канальной печи составляет 0,3–0,7.

Для улучшения cosφ_п параллельно индуктору печи присоединяют конденсаторную батарею, реактивная мощность которой должна быть равна реактивной мощности печи. Компенсация естественного коэффициента мощности печи необходима для того, чтобы не нагружать сеть (или понижающий силовой трансформатор) реактивным током, значения которого в несколько раз превосходят активный ток.

Главными достоинствами канальных печей перед другими печами, предназначенными для этих же целей, являются:

1) высокий КПД η_э, в результате этого в канальных печах плавка металлов происходит с низким расходом электроэнергии;

2) малый угар металла, так как здесь нет большого перегрева металла на поверхности ванны печи и сильного окисления металла;

3) наличие электродинамического перемешивания металла в каналах печи, что позволяет получать однородный по химическому составу металл без применения каких-либо механических перемешиваний.

Но при выборе типа печи необходимо считаться и с недостатками канальных печей, главные из которых:

1) необходимость непрерывного, круглосуточного режима работы. Иногда печь оставляют во включенном состоянии для поддержания температуры расплавленного металла в несливаемом остатке в ванне и канале печи во избежание «замораживания» печи;

2) необходимость выплавки металлов и сплавов с однородным составом. В противном случае пришлось бы производить промывные плавки, что связано с излишней затратой электроэнергии и времени;

3) малая стойкость огнеупорной футеровки канальной части для плавки высокотемпературных металлов и сплавов, так как температура металла в канале печи может превышать температуру в ванне печи на 50–200 °С.

Индукционные канальные печи имеют следующие основные узлы: кожух, футеровка ванны печи, индукционные единицы (магнитопровод, индуктор, канал), токоподводы, механизм наклона печи или механизм слива металла из печи, система охлаждения. Рассмотрим конструкции отдельных узлов печи.

Кожух. В зависимости от назначения печи кожух бывает различной формы: цилиндрической (с горизонтальной или вертикальной осью), прямоугольной и овальной – в зависимости от емкости металла, мощности, количества индукционных единиц, технологических особенностей выплавки металла или сплава.

 Футеровка ванны печи. Выкладывается из огнеупорных кирпичей (магнезита, шамота) или набивается из специально приготовленного порошка соответствующего химического и гранулентного состава. Состав футеровочной массы выбирают в зависимости от расплавляемого металла или сплава, предназначенного для плавки в печи. Футеровочные массы бывают кислые, основные или нейтральные.

 

Рис. 2.44. Конструкции индукционных единиц печей для плавки чугуна:

а – мощностью 560 кВт, б – мощностью 1000 кВт; 1 – футеровка;
2 – водоохлаждаемый кессон; 3 – магнитопровод; 4 – индуктор; 5 – шаблон канала

 

Индукционные единицы. В последнее время почти все конструкции индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами, присоединяемыми к кожуху ванны печи с помощью болтов и шпилек. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Отъемная индукционная единица состоит из следующих элементов: кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Индуктор. Для изготовления индуктора применяют либо обмоточные провода прямоугольного сечения (как для силовых трансформаторов), либо медные равностенные трубки для обеспечения водяного охлаждения круглого или прямоугольного сечения, либо же трубки специального профиля с утолщенной стороной, обращенной к каналу с металлом.

Токоподводы. Выполняют из труб, шин или в виде медных гибких водоохлаждаемых кабелей из скрученных проволочек, помещенных в резинотканевый рукав. Для уменьшения потерь в токоподводе конденсаторную компенсирующую батарею устанавливают поблизости от печи (рядом с печью или под рабочей площадкой).

Механизмы для наклона печи и загрузки шихты. Для наклона печей периодического действия при сливе металла применяют механизмы наклона. Печи малого объема и небольшой мощности обслуживаются лебедками с ручным приводом. Печи с большим объемом металла имеют механизмы с гидравлическим или электромеханическим приводом.

Параметры и конструкции индукционных канальных печей зависят от рода переплавляемых металлов и их назначения. Получили распространение три основные конструктивные разновидности канальных печей: шахтная, барабанная и двухкамерная (рис.2.45).

В печах шахтного типа плавильная камера имеет форму вертикального цилиндра, в донной части которого присоединена плавильная единица (рис. 2.45, а). При разливке металла печь наклоняют с помощью гидравлического устройства. Достоинством конструкции печей такого типа является простота выполнения, ремонта и замены футеровки ванны печи.

 

Рис. 2.45. Основные типы конструкций индукционных канальных печей:
а – шахтная; б – барабанная; в – двухкамерная.

 

В печах барабанного типа плавильная камера выполнена в виде горизонтально расположенного цилиндра. Печь имеет несколько индукционных единиц, которые установлены в нижней части печи (рис. 2.45,б).

Двухкамерные канальные печи выполнены с наклонными или горизонтально расположенными каналами, соединяющими между собой две ванны. При этом одна из них используется как плавильная, а другая как раздаточная.

 

Схемы электрооборудования

 

Индукционные канальные печи в настоящее время выполняются со сменными индукционными единицами мощностью от 200 до 1000 кВ⋅А. Индукционные единицы мощностью до 300 кВ⋅А можно питать от индивидуальных однофазных электропечных автотрансформаторов, подключаемых к заводской подстанции на напряжение 380 В с ручной или автоматической регулировкой вторичного напряжения от 0 до 500 В в зависимости от требуемой производительности печи. Регулирование может быть осуществлено для поддержания температуры и параметров электрического режима на определенном уровне.

Индукционные единицы мощностью свыше 300 кВ⋅А питаются от высоковольтных электропечных трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой путем переключения витков вторичной или первичной обмотки без выключения печи. Мощность таких трансформаторов лежит в пределах от 400 до 1600 кВ⋅А. Первичная обмотка трансформаторов подключается к сети высокого напряжения (6 или 10 кВ).

Для подключения электропечных трансформаторов к высоковольтным сетям служат комплектные распределительные устройства (КРУ).

Индукционная единица подключается к вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

Для компенсации реактивной мощности печи служат конденсаторы, подключаемые параллельно индуктору.

Схема питания однофазной индукционной единицы приведена на рис. 2.46. Реле максимального тока РМ1 и РМ2 служат для контроля и отключения печи при перегрузках и коротких замыканиях.

 Трехфазные трансформаторы используются для питания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо общий трехфазный магнитопровод, либо два или три отдельных магнитопровода стержневого типа.

Рис. 2.46. Принципиальная схема питания индукционной единицы

канальной печи: ВМ – выключатель мощности; КЛ – контактор;

Тр – трансформатор; С_к – конденсаторная батарея; И – индуктор;

ТН1, ТН2 – трансформаторы напряжения; ТТ1, ТТ2 – трансформаторы тока;

Р – разъединитель; ПР – предохранители; РМ1, РМ2 – реле максимального тока

 

Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава, а также для начальных пусков печи при первых плавках, которые проводятся при малом объеме металла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спекания футеровки. Мощность автотрансформатора выбирают в пределах 25–30 % мощности основного трансформатора. Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры.

Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла. Для контроля положения печи служат конечные выключатели.

 

Индукционные тигельные печи

 

Индукционные тигельные печи получили распространение в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, т. е.

сплавов на основе железа, так как при плавке черных металлов тигельные печи имеют более высокий КПД, чем при плавке цветных металлов.

 

Печи высокой частоты (50–500 кГц) с питанием от ламповых генераторов

Печи средней (повышенной) частоты (150–10 000 Гц) с питанием от умножителей частоты, вращающихся машинных генераторов и статических преобразователей

Печи низкой (промышленной) частоты (50–60 Гц). По конструкции печи выполняются открытыми – для плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере и герметически закрытыми – для плавки в вакууме или в среде нейтральных газов (вакуумно-компрессионные печи)

Индукционные тигельные печи

 

 

Рис. 2.47. Классификация индукционных тигельных печей по частоте источника питания.

 

Индукционные тигельные печи обладают следующими преимуществами:

1. Легкое достижение высоких температур, так как энергия выделяется непосредственно в нагреваемом металле.

2. Отсутствие соприкосновения с топливом или электродами, что позволяет получать металл и сплавы, чистые по химическому составу.

3. Наличие интенсивного перемешивания расплавленного металла под воздействием электродинамических сил, что способствует получению однородного химического состава без применения механических перемешивающих устройств.

4. Малая окисляемость и небольшой угар компонентов состава из-за наличия более холодного шлака на поверхности зеркала расплавленного металла.

5. Возможность проведения плавки в вакууме и нейтральной среде для получения сплавов высокого качества.

6. Отсутствие перегрева футеровки печи, что повышает срок ее службы.

7. Возможность работы в периодическом режиме, что уменьшает простои печи на холостом ходу и дает возможность смены химического состава выплавляемых сплавов без проведения промывных плавок и без оставления несливаемого остатка металла.

8. Более простая по сравнению с канальными печами конструкция огнеупорного тигля.

Недостатками индукционных тигельных печей (рис. 2.48.) являются:

 

Рис. 2.48. Индукционная тигельная печь с наружным магнитопроводом

 

относительно низкая температура шлаков; вспучивание поверхности расплавленного металла (мениск) из-за больших электродинамических сил, возникающих в расплаве.

Индукционная тигельная печь состоит из следующих основных

элементов: индуктора 1, подключаемого к источнику переменного тока;

нагреваемого металла 2; огнеупорного тигля 3 для размещения расплавляемого металла; внешнего магнитопровода 4, применяемого в некоторых печах средней частоты и в печах большой емкости промышленной частоты для экранировки кожуха печи (для уменьшения

потерь энергии); устройства для слива металла; токоподводов.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом загрузки, размещенной в тигле печи. Нагрев и расплавление металлической шихты происходят вследствие наведения электрического тока путем электромагнитной индукции от магнитного поля, создаваемого индуктором, подключенным к источнику переменной ЭДС.

При прохождении тока в кусках шихты происходит разогрев их до оплавления и образования жидкой ванны. При получении жидкой ванны наибольшая плотность тока имеет место на периферии металлической загрузки в слое, прилегающем к стенкам тигля, а наименьшая – в центральной части загрузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в слое металла, толщина которого равна глубине проникновения тока ∆_э.гор. Выделение энергии зависит от частоты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихтового материала.

Ориентировочно минимальную частоту тока f_min, Гц, определяют в зависимости от диаметра тигля d₀, м, с учетом удельного электрического сопротивления ρ_гор, Ом⋅м, горячего металла, доведенного до расплавления:

 

f_min =25⋅10⁶ρ_гор /d₀²,                                                                   (2.49)

 

Рассмотрим конструкцию основных элементов тигельных печей.

Индуктор выполняют из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения.

Обычно индукторы выполняют однослойными из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение.

Тигли могут быть электропроводящими (из электропроводящих материалов – стали, графита) или неэлектропроводящими (из керамических материалов). Электропроводящие тигли применяют для улучшения КПД печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит в пределах 20–40 мм, графитовых – 30–70 мм. Графитовые тигли применяют для плавки меди и алюминия, стальные – для плавки магния. Электропроводящий тигель закрепляется с помощью уголков и полос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких местах по окружности тигля и соединяемых между собой болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой крупки и асбестового картона.

Магнитопроводы применяют для экранировки магнитных полей с целью уменьшения электрических потерь в кожухе или каркасе печи. Магнитопроводы представляют собой пакеты прямоугольной формы, набранные из листов электротехнической стали с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных между собой болтами с изоляционными втулками.

Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1–0,5 т) применяют кожух из неметаллических материалов – дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни).

 

Электрооборудование и схемы питания индукционных тигельных печей

Индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и мощностью свыше 1000 кВт питаются от высоковольтных трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой. Печи выполняют однофазными, и для обеспечения равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство рис. 2.49., состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи С_с, подключаемых с индуктором по схеме треугольника. Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ⋅А имеют 9–23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400–2500 кВ⋅А; при потребляемой мощности

 

 

 

Рис. 2.49. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора ПТ с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи: ПСН – переключатель ступеней напряжения; С_с – симметрирующая емкость; L – реактор симметрирующего устройства; С–С_n – компенсирующая конденсаторная батарея; И – индуктор печи; АРИС – регулятор симметрирующего устройства; АРИР – регулятор режима; K₁–K_n – контакторы управления емкостью батареи C₁–С_n; TT1, ТТ2 – трансформаторы тока

 

свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора.

Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Р_п и cosφ_п путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

Печи малой и средней емкости питаются от машинных или тиристорных преобразователей частоты. Преобразователи представляют собой равномерную нагрузку трехфазной сети, так что симметрирующие устройства не требуются.

Машинные преобразователи серии ВПЧ имеют мощность от 12 до 100 кВт, серии ВЭП – 60 и 100 кВт и частоту 2400 и 8000 Гц; преобразователи серии ОПЧ имеют мощность 250, 320, 500 кВт и частоту 2400, 4000, 8000 и 10 000 Гц. Эти преобразователи имеют однокорпусное вертикальное исполнение. Преобразователи большей мощности серии ОПЧ – двухкорпусные, горизонтального исполнения, с водяным охлаждением, мощностью 1000, 1500 и 2500 кВт и частотой 500 и 1000 Гц. Тиристорные преобразователи имеют мощность от 100 до 3200 кВт (например, СЧИ-100/3 и ТПЧ-800-1 мощностью 100 кВт, 3 кГц и 800 кВт, 1 кГц соответственно).

Для компенсации реактивной мощности печей промышленной частоты предназначены косинусные конденсаторы типов КМ и КС (масляные и соволовые) мощностью от 14 до 75 квар и напряжением от 0,22 до 1,05 кВ, а для средних частот – типов ЭМВ и ЭСВ с водяным охлаждением мощностью от 70 до 400 квар, напряжением 0,375–2,0 кВ и со стандартными частотами среднечастотного диапазона.