індукційна плавка
Індукційна плавка - широко поширений в чорній і колір-ної металургії процес. Плавка в пристроях з індукційним нагріванням нерідко перевершує плавку в паливних печах по ефективності викорис-тання енергії, якості продукту та гнучкості виробництва. ці пре-
майна обумовлені специфічними фізичними характеристиками індукційних печей.
При індукційній плавці відбувається переклад твердого матеріалу в рідку фазу під впливом електромагнітного поля. Так само як в слу-чаї індукційного нагріву, тепло виділяється в розплавляється матеріалі внаслідок ефекту Джоуля від наведених вихрових струмів. Первинний струм, що проходить через індуктор, створює електромагнітне поле. Поза за-лежно від того, концентрується електромагнітне поле магнітопро - водами чи ні, пов'язана система індуктор - завантаження може бути пред-ставлена як трансформатор з магнітопроводом або як повітряний трансформатор. Електричний ККД системи сильно залежить від впливають на поле характеристик феромагнітних конструктивних елементів.
Поряд з електромагнітними і тепловими явищами в процесі індукційної плавки важливу роль відіграють електродинамічні сили. Ці сили повинні враховуватися, особливо в разі плавки в потужних ін-дукціонних печах. Взаємодія индуктироваться електричних то-ков в розплаві з результуючим магнітним полем викликає механічного-ську силу (силу Лоренца)
яка змінюється від нуля до максимального значення з подвоєною годину-тотой джерела живлення. Внаслідок інерції маси розплаву на нього діє тільки усереднена в часі складова сили. Дія її проявляється двояко. По-перше, електромагнітне тиск може при-вести до деформації поверхні розплаву. По-друге, якщо сили в рас-плаву мають вихровий характер, це змушує розплав рухатися відпо-ціалу чином (рис. 7.21). Поряд з описаним прямою дією сил на розплав відбуваються вторинні процеси тепло - і масопереносу.
Тиск Потоки розплаву
Мал. 7.21. Дія електромагнітних сил
Наприклад, викликане силами турбулентний рух розплаву име-ет дуже велике значення як для гарного теплообміну, так і для пере-мешіванія і адгезії непроводящих частинок, що знаходяться в розплаві.
Розрізняють два основних типи індукційних печей: індукційні тигельні печі (ІТП) і індукційні канальні печі (ІКП). В ІТП розплавляється матеріал зазвичай завантажується кусками в тигель (рис. 7.22). Індуктор охоплює тигель і розплавляється матеріал. Через відсутність концентрує поля муздрамтеатру електромагнітна зв'язок між
індуктором і завантаженням сильно залежить від товщини стінки керамічного тигля. Для забезпечення високого електричного ККД ізоляція повинна бути як можна тонше. З іншого боку, футеровка повинна бути доста-точно товстої для того, щоб протистояти термічним напруженням і
Мал. 7.22. Схема індукційної тигельної печі
руху металу. Отже, слід шукати компроміс між електричними і міцності критеріями.
Важливими характеристиками індукційної плавки в ІТП є рух розплаву і меніск як результат впливу електромагнітних сил. Рух розплаву забезпечує як рівномірний розподіл температури, так і однорідний хімічний склад. Ефект перемішують-ня у поверхні розплаву знижує втрати матеріалу під час дозагрузіть - ки малоразмерной шихти і добавок. Незважаючи на використання дешевого матеріалу відтворення розплаву постійного складу забезпечує високу якість лиття.
Залежно від розмірів, роду розплавляється матеріалу і облас-ти використання ІТП працюють на промисловій частоті (50 Гц) або середньо-
них частотах до 1000 Гц. Останні набувають все більш важливе зна-ня завдяки високій ефективності при плавці чавуну і алюмінію. По-кільки рух розплаву при постійній потужності послаблюється з по-щення частоти, на більш високих частотах стають доступними більш високі питомі потужності і, як наслідок, велика виробляй-ність. Внаслідок більш високої потужності скорочується час плав-ки, що веде до підвищення ККД процесу (в порівнянні з печами, рабо-тануть на промисловій частоті). З урахуванням інших технологічних переваг, таких як гнучкість при зміні виплавлюваних матеріалів, середньо частотні ІТП розроблені як потужні плавильні установки, домінуючі в даний час в чавуноливарному виробництві. З-тимчасові потужні середньочастотні ІТП для плавки чавуну мають їм-кістка до 12 т і потужність до 10 МВт. ІТП промислової частоти розроб-бативает для великих ємностей, ніж середньо частотні, до 150 т для плавки чавуну. Інтенсивне перемішування ванни має особливе значення при виплавці однорідних сплавів, наприклад латуні, тому в цій об-ласті широко використовуються ІТП промислової частоти. Поряд з при-трансформаційних змін тигельних печей для плавки в даний час їх використовують також для витримки рідкого металу перед розливанням.
Відповідно до енергетичним балансом ІТП (рис. 7.23) рівень електричного ККД майже для всіх типів печей становить близько 0,8. Приблизно 20% вихідної енергії втрачається в індукторі у вигляді Джо - улева тепла. Ставлення теплових втрат через стінки тигля до індукує-ванною в розплаві електричної енергії досягає 10%, тому повний ККД печі становить близько 0,7.
Другим широко поширеним типом індукційних печей є при-чиною ІКП. Вони застосовуються для лиття, витримки і, особливо, плавки в чорної і кольорової металургії. ІКП в загальному випадку складається з керамічні-ської ванни і однієї або декількох індукційних одиниць (рис. 7.24). В
принципі, індукційна одиниця може бути представлена як трансфор-
матора з феромагнітним сердечником. Індуктор є його первинної обмоткою, а заповнений розплавом канал, гирла якого відкриваються в ванну, являє собою вторинний короткозамкнений виток.
Мал. 7.23. Енергетичний баланс ІТП
Принцип дії ІКП вимагає наявності постійно замкнутого вто-ричного витка, тому ці печі працюють з рідким залишком розплаву. Корисне тепло генерується головним чином в каналі, що має малий перетин. Циркуляція розплаву під дією електромагнітних і терми-чеських сил забезпечує достатній перенесення тепла в основну масу розплаву, що знаходиться в ванні. До теперішнього часу ІКП проектування-валися на промислову частоту, однак дослідні роботи про-водяться і для більш високих частот. Завдяки компактній конструкції печі і дуже хорошою електромагнітної зв'язку її електричний ККД дос-Тігана 95%, а загальний ККД - 80% і навіть 90% в залежності від розплав-ляемого матеріалу.
Відповідно до технологічних умов в різних областях застосування ІКП потрібні різні конструкції індукційних кана-лів. Одноканальні печі використовуються в основному для витримки і лиття,
рідше плавки стали при встановлених потужностях до 3 МВт. Для плавки і витримки кольорових металів краще двоканальні конструк-ції, що забезпечують краще використання енергії. В установках для плавлення алюмінію канали виконуються прямими для зручності очищення.
Виробництво алюмінію, міді, латуні та їх сплавів є основ-ної областю застосування ІКП. Сьогодні найбільш потужні ІКП ємністю
Мал. 7.24. Схема індукційної канальної печі
до 70 т і потужністю до 3 МВт використовуються для плавки алюмінію. Наря-ду з високим електричним ККД у виробництві алюмінію дуже важливі низькі втрати розплаву, що і зумовлює вибір ІКП.
Перспективними застосуваннями технології індукційної плавки є виробництво високочистих металів, таких як титан і його сплави, в індукційних печах з холодним тиглем і плавка кераміки, на-приклад силікату цирконію і оксиду цирконію.
При плавці в індукційних печах яскраво проявляються переваги індукційного нагріву, такі як висока щільність енергії і вироб-дітельность, гомогенізація розплаву завдяки змішуванню, точний
енергетичний і температурний контроль, а також простота автоматиче-ського управління процесом, легкість ручного управління і велика гинув-кістка. Високі електричний і тепловий ККД в поєднанні з низькими по-терямі розплаву і, отже, економією сировини обумовлюють низ-кий питома витрата енергії і екологічну конкурентоспроможність.
Перевага індукційних плавильних пристроїв над паливно-ми безперервно зростає завдяки практичним дослідженням, під-кріплення чисельними методами вирішення електромагнітної і гідроді-наміческіх завдань. Як приклад можна відзначити внутрішнє покриття-тя мідними смугами сталевого кожуха ІКП для плавки міді. Змен-шення втрат від вихрових струмів підвищило ККД печі на 8%, і він досяг 92%.
Подальше поліпшення економічних показників індукційної плавки можливо за рахунок застосування сучасних технологій управ-ня, таких як тандем або управління подвійним живленням. Дві ІТП тан-дема мають одне джерело живлення, і поки в одній йде плавка, в інший розплавлений метал витримується для розливання. Перемикання источ-ника харчування з однієї печі на іншу підвищує коефіцієнт його викорис-тання. Подальшим розвитком цього принципу є управління подвійним харчуванням (рис. 7.25), яке забезпечує тривалу одночасну роботу печей без перемикання за допомогою спеціальної автоматики управління процесом. Слід також зазначити, що неот'ем-лемой частиною економіки плавки є компенсація загальної реактивної потужності.
На закінчення для демонстрації переваг енерго - і матеріалос-Берегана індукційної технології можна порівняти паливний і елек-тротерміческій способи плавки алюмінію. Мал. 7.26 показує значи-тельное зниження енергоспоживання на тонну алюмінію при плавці в
Глава 7. Енергозберігаючі можливості сучасних електротехнологій
Мал. 7.25. Принцип управління подвійним живленням