книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

Создаваемый индуктором магнитный поток не весь проходит через сечение металла. Часть магнитных силовых линий замыкается вокруг витков индуктора, образуя поток рассеивания. Уменьшить долю этого потока и увеличить полезный магнитный поток можно, если по аналогии с трансформатором внутрь индуктора вставить магнитопровод.

Первые индукционные печи работали на промышленной частоте и были действительно очень похожи на трансформатор, отличаясь тем, что и первичная (индуктор), и вторичная (кольцо расплавлен­ ного металла) обмотки были расположены вокруг одного ярма сер­ дечника (рис. 50).

Усовершенствование конструкции печей с сердечником привело в дальнейшем к появлению печей с вертикальным закрытым каналом

Рис. 50. Схематические изображения индукционной канальной печи (а) и трансформатора (б)

(рис. 51). Отделение плавильного пространства от канала сделало эти печи более удобными в технологическом отношении и позволило питать их трехфазным током промышленной частоты. Эти печи могут потреблять более высокую удельную мощность и характеризуются высоким электрическим к. п. д.

Наличие над каналами, в которых нагревается металл, большого объема относительно холодного металла обеспечивает низкий угар элементов, так как пары, образующиеся в каналах, конденсируются в зонах плавильного объема с более низкой температурой. Интен­ сивная циркуляция металла, вызываемая электромагнитными и тепловыми силами, ускоряет процесс плавки и обеспечивает полу­ чение металла однородного состава.

Эти качества индукционной печи со стальным сердечником и закрытым каналом делают ее непревзойденным электрическим пла­ вильным агрегатом. Однако широкое распространение этих печей ограничивается низкой стойкостью футеровки канала, работающей в очень тяжелых условиях. Печи этого типа не нашли применения для плавления черных металлов,„требующих нагрева до высоких

и важно обеспечить низкий угар дорогих цветных металлов. Их применяют для плавки меди, алюминия, никеля, магния, цинка

101

Рис. 51. Трехфпзная индукционная печь с закрытым кана­ лом для плавки меди:

I — шахта печи; 2 — подовый камень с вертикальным кана­ лом; 3 — сердечник однофазного индуктора

О О О О О О О О O G O O O

Рис. 52. Тигельная индукционная печь:

а — схема печи; б — распределение токов в металлической садке

тигельной печи в начальный момент т 0 и спустя время т х после включения печи;

1 индуктор; 2 — тигель с металлом; 3 — магнитный поток рассеивания

102

и сплавов. В Италии, Швеции, США и некоторых других странах такие печи используют также для получения высококачественного чугуна в литейных цехах.

В индукционных печах без сердечника переплавляемый металл загружается в тигель, установленный внутрь индуктора (рис. 52). Разместить замкнутый сердечник в этом случае невозможно, в связи

чения в металле необходимой э. д. с. необходимо увеличивать ча­ стоту питающего тока [см. уравнение (18)].

Применение печей такого типа на первых порах сдерживалось отсутствием экономичных генераторов высокой частоты. Толчком к внедрению в широком масштабе индукционных тигельных печей послужило стремительное развитие радиотехники, в результате чего были созданы различные генераторы высокой и повышенной частоты.

Преимущества тигельных печей по сравнению с канальными связаны главным образом с отсутствием канала. Это значительно упрощает конструкцию печи, позволяет полностью сливать жидкий металл (в канальных печах часть жидкого металла необходимо

вия службы футеровки тигля значительно легче, чем футеровки канала.

Это дает возможность выплавлять в тигельных печах более туго­ плавкие металлы и от плавки к плавке менять состав металла, что особенно важно при производстве стали. Тем самым устраняются ограничения, делающие нецелесообразной плавку стали в индук­ ционных канальных печах.

Но сравнительно большое расстояние между индуктором и ме­ таллом в тигле вызывает появление значительной индуктивной мощности, снижающей общий cos ф. Для компенсации индуктивной мощности индукционные тигельные печи снабжают конденсаторными батареями. Наличие преобразователя частоты и конденсаторов существенно удорожает установку и ограничивает область приме­ нения таких печей. В них целесообразно плавить лишь металлы и сплавы, которые невозможно или неэкономично плавить в других

агрегатах.

Тигельные печи получили распространение в металлургии спе­ циальных сталей и сплавов. Их использование для этих целей свя­ зано с преимуществами индукционного нагрева, когда тепло выде­ ляется в самом нагреваемом металле. Отсутствие концентрирован­ ного внешнего источника тепла позволяет получать стали и сплавы высокой степени чистоты, например по углероду и газам, обеспе­ чивает высокое и стабильное усвоение легирующих добавок, что особенно важно при производстве сталей и сплавов с дорогими и редкими добавками. Электродинамическое движение металла гаран­ тирует получение однородного сплава с точно заданным химическим составом.

103

Кроме того, индукционные тигельные печи при небольших габаритах отличаются высокой производительностью, обеспечивают сравнительно легкие и гигиеничные условия труда, процесс плавле­ ния в них легко поддается регулированию в широких пределах.

Основным технологическим недостатком индукционных печей всех типов является малая активность шлака, что затрудняет про­ текание физико-химических процессов между металлом и шлаком. Это обусловлено тем, что шлаки, отличающиеся высоким омическим сопротивлением, в основном нагреваются металлом путем тепло­ проводности. Поэтому шлаки холоднее металла, нм свойственна высокая вязкость и вследствие этого они малоактивны.

Номинальная емкость индукционных тигельных печей, предназ­ наченных для выплавки стали на отечественных заводах, характе­

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

и н д у к ц и о н н о й т и г е л ь н о й п е ч и

В индукционных печах можно переплавлять магнитную и немаг­ нитную шихту. При плавлении немагнитной шихты се разогрев осуществляется за счет джоулева тепла, выделяющегося при цирку­ ляции в металле индуцируемых полем индуктора вихревых токов Фуко. Магнитные материалы нагреваются, кроме того, и за счет тепловых потерь при их перемагнпчпваиии, величина которых опре­ деляется шириной петли гистерезиса. Ферромагнитные свойства сохраняются, как известно, до точки Кюри (740—770° С).

Рассмотрим нагрев немагнитных материалов. Для упрощения представим себе шихту в виде сплошного блока цилиндрической формы, помещенного внутрь индуктора (см. рис. 52).

Поле, создаваемое соленоидом в зазоре между индуктором и цилиндром, образует цилиндрическую волну, падающую на по­ верхность цилиндра. Вектор напряженности магнитного поля в за­ зоре направлен вдоль оси цилиндра, а напряженность электрического поля направлена по касательной к поперечному сечению цилиндра. Проникающая внутрь цилиндра волна индуцирует вихревые токи прежде всего в поверхностном слое цилиндра. Эти токи / 2 цирку­ лируют в плоскости витков индуктора в направлении, противопо­ ложном направлению тока индуктора 11.

Токи / 2 образуют свое электромагнитное поле, также противо­ положное полю индуктора. Поэтому в более глубокие слои цилиндра поле индуктора проникает ослабленным и плотность тока, наводимого в более глубоких слоях, будет меньшей. Плотность тока ст по мере удаления от поверхности уменьшается по экспоненциальному закону и ,на расстоянии х от поверхности равна

104

Глубина проникновения тока — это условная величина, равная расстоянию от поверхности, на котором плотность тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью тока у поверхности (е — основа­ ние натуральных логарифмов, равное 2,718).

Глубина проникновения тока зависит от частоты изменения электромагнитного поля, удельного омического сопротивления р и магнитной проницаемости р. материала. Если выразить р в Ом-см, то

При нагреве' немагнитной шихты р = 1 и р в начальный мо­ мент т 0 одинаково по всему сечению. Поэтому плотность тока по сечению распределяется, как показано На рис. 52, б.

Активная мощность, выделяющаяся в цилиндре, при этом равна

Коэффициент трансформации равен отношению числа витков первичной обмотки п х к числу витков вторичной обмотки п2. У ин­

Р 2 в уравнении (22) — сопротивление вертикального сечения стенки

Подставляя уравнения (23) и (24) в выражение (22) с учетом

I S 2 и d2— соответственно длина, сечение и диаметр вторич­ ной обмотки.

105

Таким образом, передаваемая садке мощность пропорциональна квадрату удельных ампер-витков индуктора, боковой поверхности садки, корню квадратному из частоты питающего тока и удельного омического сопротивления садки.

В начале плавки основное количество тепла выделяется в по­ верхностном слое, и он прогревается в первую очередь. Неравно­ мерность прогрева можно наблюдать визуально, если в высокоча­ стотный индуктор вставить массивный блок, например, из графита.

С повышением температуры сопротивление металла увеличивается. Спустя некоторое время после начала нагрева сопротивление ста­ новится неодинаковым по сечению (максимум у поверхности), вслед­ ствие чего максимум плотности тока смещается от поверхности в глубь цилиндра. При этом в процесс прогрева вовлекаются все новые слон металла, увеличиваются глубина проникновения тока и мощность, передаваемая садке.

Неравномерность распределения плотности тока по сечению нагреваемого цилиндра значительно ускоряет нагрев, так как поз­ воляет последовательно концентрировать в отдельных слоях высо­ кую мощность. Если бы сила тока распределялась по всему сечению равномерно, то плотность тока и концентрация тепла были бы незна­ чительными и для прогрева металла потребовались бы во много раз более мощные источники питания печей.

Поэтому при индукционном нагреве очень большое значение имеет соотношение между глубиной проникновения тока и сечением прогреваемого блока.

При малом сечении блока, когда величина d„ соизмерима с вели­ чиной е2, сила тока распределяется по сечению сравнительно рав­ номерно, и для получения необходимой концентрации тепла требу­ ется большая мощность источника питания.

Чтобы учесть это соотношение, в уравнение мощности, поглощае­ мой садкой, необходимо ввести поправочный коэффициент А, являю­ щийся функцией отношения rf2/e2. Этот коэффициент приближается

Но максимальная скорость нагрева получается не при максимуме потребляемой вообще мощности, а в случае потребления максималь­ ной удельйой мощности, т. е. мощности, приходящейся на 1 см3 садки. Анализ отношения PqJ V ix приводит к выводу, что оптималь­ ное соотношение d2/e2 для цилиндра равно 3,5. Аналогичный анализ для шара приводит к оптимальному соотношению d2/e2 = 4,8, а в случае нагрева пластины толщиной Д оптимальное отношение Д2/е2 = 2,5.

Для одного и того же материала (р = const и р. = const) глубина проникновения тока зависит только от частоты (см. уравнения 20 и 21), а это означает, что существует оптимальное соотношение между частотой и размерами твердой шихты, а также между часто­ той и диаметром тигля. Таким образом, для эффективного плавле­ ния одного и того же металла в печах разной емкости требуется

106

различная частота питающего тока. Связь между частотой и диаме­ тром тигля определяется эмпирическим выражением

2 5 -lO^Pa

(26)

dl

Отсюда видно, что чем больше емкость печи, тем ниже может быть частота тока, и в печах емкостью 6 т и более можно плавить сталь, пользуясь токами промышленной частоты.

Все отмеченные закономерности справедливы не только для расплавленного металла, но и для каждого отдельного куска шихты, если под d 2 понимать диаметр отдельного куска. Поэтому для дости­ жения высокого значения электрического к. п. д. печи необходимо выдерживать определенные соотношения не только между частотой тока и диаметром тигля, но и между частотой тока в индукторе, размерами и формой кусков шихты. Однако при использовании любой шихты куски надо укладывать так, чтобы при этом полу­ чался максимальным объем активного слоя.

В случае плавления магнитной шихты справедливы те же соот­ ношения. Но в начальный период плавки магнитная шихта потреб­ ляет примерно на 40% больше мощности, чем немагнитная. При нагреве магнитной садки (р. >> 1) сильнее выражен и эффект нерав­ номерного распределения плотности тока по сечению [см. урав­ нения (20) и (21)]. Большая потребляемая мощность и более высо­ кая концентрация тепла позволяют нагревать магнитную шихту

сбольшей скоростью, чем немагнитную.

Сповышением температуры шихты ее магнитная проницаемость уменьшается, что приводит и к уменьшению скорости нагрева.

в непрерывном движении. Движение металла вызывается действием ряда электродинамических эффектов, главным образом наличием отталкивающих усилий между проводниками с противоположным направлением токов (индуктором и садкой) и сжимающих усилий между проводниками с одинаковым направлением токов (между токопроводящими слоями садки). Электродинамические силы на­ правлены радиально к оси цилиндра и создаваемое ими давление достигает максимума у оси цилиндра, на середине его высоты.

Под действием электродинамических усилий жидкий металл вытесняется из области с высоким давлением в места с более низким давлением, т. е. вверх и вниз, в результате чего возникает цирку­ ляция металла (рис. 53, а).

Естественное электромагнитное перемешивание металла способ­ ствует выравниванию его температуры и состава по объему ванны, и ускоряет плавку. Но при циркуляции по схеме (рис. 53, а) на по­ верхности ванны образуется выпуклый мениск металла, шлак сте­ кает к стенкам тигля и оголяет поверхность металла. Чтобы пре­ дотвратить это, приходится увеличивать расход шлакообразующих,

107

что отрицательно отражается на технико-экономических показателях работы печи.

Выпуклого мениска не получается, когда уровень металла в тигле находится выше индуктора. В этом случае циркуляция не выходит на поверхность, а вблизи поверхности возникают завихре­ ния, создающие обратный мениск, и поверхность ванны становится почти плоской (рис. 53, б).

Рис. 53. Электродинамиче­ ская циркуляция металла;

а — уровень металла в тигле ниже верхнего витка индук­ тора; б — уровень металла выше индуктора

Для получения плоской поверхности индуктор делают секцион­ ным, и после расплавления металла, когда подводимую мощность можно уменьшить, верхнюю секцию отключают. Уровень металла оказывается выше включенных витков индуктора, и мениск не образуется.

Иногда интенсивность естественного перемешивания металла оказывается недостаточной для получения однородного состава. В этом случае целесообразно на время перемешивания переключить индуктор от источника питания током повышенной частоты к источ­ нику питания током более низкой, например промышленной, частоты. При этом электродинамическое давление возрастает и усиливается циркуляция металла.

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Соленоидом является индуктор печи, который относится одно­ временно и к ее механическому оборудованию. Поэтому конструк­

назначения индукционные тигельные печи питают токами различ­ ной частоты— от 500 до 1000000 Гц. Для промышленных печей емкостью от нескольких сот килограммов и до нескольких тонн наиболее часто используют токи частотой 500— 10000 Гц, печи ем­ костью более 6 т могут питаться токами промышленной частоты (50 Гц), а небольшие промышленные и лабораторные печи требуют питания токами весьма большой частоты.

Источниками питания индукционных печей токами высокой частоты служат преобразователи частоты — высокочастотные гене­

108

раторы. В настоящее время пользуются главным образом генера­ торами двух видов — ламповыми и машинными преобразователями.

Генератором высокочастотных колебаний в ламповом преобра­ зователе является колебательный контур, широко используемый также в радиопередающих и принимающих устройствах (рис. 55).

и в контуре появится ток. При прохождении тока через индуктив­ ность в момент его нарастания в ней создается запас энергии, про­ тиводействующий изменению силы тока. После разрядки конденса­ тора этот запас поддерживает ослабевающую силу тока в контуре,

вследствие чего обкладки конденсатора вновь заряжаются, но при этом получают обратную полярность. Конденсатор вновь разря­ жается и в контуре периодически протекает ток одного или проти­ воположного направления.

Частота тока в контуре, т. е. частота собственных колебаний контура, зависит от соотношения активного сопротивления, индук­ тивности и емкости и определяется выражением

<27>

В колебательном контуре величина R много меньше величины L, поэтому последним членом в уравнении (27) можно пренебречь. Тогда

и выделяется в активном сопротивлении.

Чтобы колебания контура превратить в незатухающие, в него необходимо периодически подводить энергию, т. е. подзаряжать контур. Такую подзарядку осуществляют при помощи генератор­ ной лампы — триода, включенной в цепь контура (рис. 56).

109

Цепь в лампе между анодом и катодом замыкается электронами, испускаемыми нагретым катодом. Цепь будет замыкаться лишь в том случае, если на сетке, расположенной между катодом и анодом, потенциал будет положительным. В противном случае эмиттированные катодом электроны будут отбрасываться полем сетки обратно к катоду. Таким образом, управляя потенциалом на сетке, можно регулировать силу тока в цепи лампы и колебательного контура.

Импульсы питающего тока должны быть согласованы по фазе с колебаниями контура. Это обеспечивается тем, что на сетку по­ дается потенциал с частотой собственных колебаний контура. В при­ веденной на рис. 56 схеме для этого служит индуктивность L2, связанная по принципу трансформатора с индуктивностью контура.

Такую связь контура с цепью сетки называют обратной связью, так как через нее одна часть схемы воздей­

В настоящее время выпускают генераторные лампы мощностью до 100 кВт. Если мощность установки требует установки нескольких ламп, то их включают параллельно. Число ламп в установках обычно не превышает четырех.

Срок службы генераторных ламп составляет примерно 1000 ч работы. Коэффициент полезного действия их равен примерно 80%.

М а ш и н н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Для питания ин­ дукционных печей применяют машинные генераторы двух типов: обычные синхронные и индукторные.

Частота тока, вырабатываемого обычным синхронным генера­

центробежных сил. Поэтому такие генераторы используют для получения токов частотой до 1000 Гц. Токи частотой более 1000 Гц (до 10 000 Гц) получают при помощи машинных генераторов индук­ торного типа.

по