книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

Генератор этого типа отличается тем, что ode обмотки — й об­ мотка возбуждения и рабочая обмотка — размещены в статоре, а на роторе обмоток не имеется. Ротор собирают из фигурных пластин электротехнической стали таким образом, что в собранном виде на его поверхности образуются чередующиеся продольные выступы и впадины.

Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное по величине и по направлению магнитное поле. При вра­ щении ротора против пазов обмотки возбуждения поочередно ока­ зываются зубцы и впадины и магнитные силовые линии замыкаются то по ротору, то по воздуху, в результате чего образуется пульси­ рующее магнитное поле.

Под действием этого поля в рабочей обмотке наводится изме­

Сопоставление уравнений (29) и (30) показывает, что поскольку в генераторах индукторного типа значительно легче изготовить ротор с большим числом зубцов, чем расположить у синхронного генератора такое же число пар полюсов в обмотке возбуждения, в них можно генерировать токи значительно более высокой частоты. Но при сравнительно низкой частоте (до 1000 Гц) синхронные гене­ раторы оказываются более экономичными, поэтому генераторы индукторного типа применяют только в установках более высокой частоты.

Ротор машинного генератора приводится во вращение трехфаз­ ным асинхронным двигателем, выполняемым либо в отдельном кор­ пусе, либо заодно с корпусом генератора. Чтобы различать конструк­ тивное исполнение, агрегаты с обособленным приводным электро­ двигателем принято называть генераторами, а со встроенным эле­ ктродвигателем — преобразователями.

К. п. д. современных машинных генераторов достаточно высок

исоставляет 80—90%.

Ко н д е н с а т о р ы . Уже отмечалось, что вследствие значи­

тельного зазора между индуктором и садкой индукционная тигель­

новки тигельных печей снабжают конденсаторами, которые, будучи включенными в цепь печи, служат источниками, покрывающими безваттную мощность печи.

Так как самоиндукция создает положительный сдвиг фаз (сила тока отстает от величины напряжения), а емкость — отрицательный (сила тока опережает величину напряжения), то при равенстве ин­ дуктивного и емкостного сопротивлений сдвига-фаз не будет, кривая изменения силы тока совпадает с кривой изменения величины напря­ жений и cos ф = 1.

111

Это условие соблюдается автоматически в контуре со свободными колебаниями, поэтому в установках с ламповым генератором cos ср всегда равен единице. В установки же, питаемые от машинных гене­ раторов, для равенства индуктивного xL и емкостного сопротивле­

Емкость конденсатора зависит от величины поверхности обкла­ док S, расстояния между обкладками d и свойств диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками, а именно от его диэлектрической проницаемости вп.

В простейшем случае (плоский конденсатор с двумя обкладками) емкость конденсатора равна

Если конденсатор собран из п пластин, соединенных через одну параллельно, то

Конденсаторы применяют, как правило, собранными в группы (батареи), составленные из последовательно или параллельно со­ единенных элементов. При последовательном соединении

при параллельном соединении

Что касается мощности, то последовательное и параллельное соединения равноценны, но предпочтительнее параллельное соеди­ нение конденсаторов, так как оно обеспечивает небольшой по силе ток генератора и отсутствие перенапряжения на индукторе печи

иконденсаторах.

Вустановках индукционных печей применяют бумажно-масля­ ные и керамические конденсаторы.

Вбумажно-масляных конденсаторах обкладками служит алюми­ ниевая фольга толщиной 0,007—0,015 мм, а диэлектриком— пара­ финированная или пропитанная маслом бумага. Конденсаторы наматывают из лент в виде рулона, а затем опрессовывают в плоский пакет. Пакеты погружают в банку с трансформаторным маслом, которую во избежание загрязнения масла герметично закрывают.

112

Реактивную мощность конденсатора можно повысить, если от­ водить выделяющееся в нем тепло, погружая в масло змеевик, питае­ мый проточной водой, или пропуская воду между двойными стен­ ками банки. Для увеличения теплоотдачи излучением банки снаружи окрашивают в черный цвет.

В высокочастотных установках с ламповыми генераторами широко применяют керамические конденсаторы (рис. 57). Обкладками в та­

В установках, питаемых от машинных генераторов, частота не зависит от величины индуктивности. Поэтому изменение L приво­

изменять величину С до значения, определяемого выражением (31). По этой причине в установках с машинными генераторами часть конденсаторных батарей включают в цепь печи постоянно, а часть можно включать или выключать из цепи по ходу плавки.

КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Индукционная тигельная печь (рис. 58) состоит из основных элементов (индуктора, футеровки, каркаса, механизма наклона) и может быть оборудована дополнительными устройствами (крыш­ кой с механизмом подъема и поворота, магнитопроводом или магнит­ ным экраном, рабочей площадкой и др.).

Рассмотрим конструкцию основных уЗлов индукционной тигель­ ной печи.

И н д у к т о р предназначен для создания переменного магнит­ ного поля необходимой напряженности. Помимо основного назна­ чения, индуктор выполняет также роль крепления тигля, которое удерживает его от смещения при наклоне печи.

Поскольку мощность, передаваемая садке печи, пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора [см. уравнение (25)], целесооб­ разно обеспечивать возможно большее число витков индуктора и пропускать через него токи большой силы. В среднем плотность тока в индукторе составляет около 20 А/мм2, а электрические потери

Рнс. 58. Схематическое изображение индукционной сталеплавильной печи:

а — конструктивное оформление; 1 — индуктор; 2 — крепление витков

в нем даже при изготовлении его из меди достигают 20—30%. Кроме того, индуктор дополнительно нагревается потоком тепла от тигля. Во избежание перегрева индуктор необходимо охлаждать.

Сечение трубки выбирают так, чтобы толщина стенки примерно в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока, сечение стенки при заданной силе тока обеспечивало плотность тока не бо­ лее 20 А/мм2, а сечение отверстия трубки обеспечивало проход коли­ чества воды, необходимого для отвода тепла.

Наружный диаметр трубки при этом должен позволять разме­ стить по высоте индуктора расчетное число витков.

Индуктор изготовляют, как правило, из медной трубки круглого сечения. Иногда, однако, использование такой трубки невозможно, так как при этом нельзя выполнить изложенные выше требования. Поэтому в некоторых случаях приходится использовать неравно­ стенные (рис. 59, а, б) или профилированные (рис. 59, в, г) трубки. Использование профилированных трубок целесообразнее и в связи с уменьшением магнитного потока рассеивания, достигаемого в этом

114

случае в связи с возможностью уменьшения зазора между тиглем и витками индуктора.

Иногда расчетное число витков оказывается настолько незна­ чительным, что не позволяет плотно заполнить всю высоту индук­ тора. В этом случае индуктор целесообразно изготовлять двухсек-

Рис. 59. Трубки для изготовления индуктора

циониым с удвоенным числом витков и параллельным соединением секций. Секции наматывают в противоположные стороны, так как только в этом случае магнитные потоки секций складываются, а в месте стыка секций напряжение крайних витков секций оказы­

где Ur — напряжение источника питания.

Витки индуктора изолируют друг от друга стеклотканью с кремнийорганическим лаком. Изолированные витки сжимаются пли­ тами из изоляционного материала, стягиваемыми при помощи брусьев.

В некоторых случаях каждый виток индуктора жестко крепят к изоляционным стойкам независимо от других витков. В этом слу­

устанавливают на подину, изготавливаемую из шамотных блоков, шамотных кирпичей или (на крупных печах) из жаропрочного бе­ тона (см. рис. 58, б).

На промышленных печах тигель, образующий плавильное про­ странство печи, изготавливают непосредственно в печи. Для этого собранный и установленный на подину индуктор закрепляют и вну­ треннюю его поверхность изолируют асбестом. Затем на подину насыпают порошкообразные огнеупорные материалы и пневмати­ ческими трамбовками уплотняют их слоями по 50—70 мм. На уплот­ ненное днище устанавливают шаблон, сваренный из листовой угле­ родистой стали толщиной 2—3 мм и имеющий форму, повторяющую внутренние контуры тигля. В кольцевой зазор между шаблоном и индуктором засыпают порошки огнеупоров и уплотняют их такими же слоями.

Футеровку выше верхнего витка индуктора выполняют из обож­ женного кирпича, так как обжечь этот участок тигля в печи очень трудно. Воротник и сливной желоб футеруют кирпичом н обмазы­ вают огнеупорной обмазкой.

Тигли для печей небольшой емкости можно изготавливать в прессформах и устанавливать в печь в готовом виде, засыпая зазор Между тиглем и индуктором порошкообразными огнеупорами. Это значи­ тельно ускоряет замену футеровки, но трудно осуществимо при большой емкости тигля. Чтобы набивка тигля не создавала пере­ боев в работе крупных установок, их снабжают двумя печами и либо печь полностью заменяют после выхода из строя тигля, либо питание переключают на вторую печь.

Футеровка индукционных тигельных печей работает в очень тяже­ лых условиях. Для получения возможно меньшего магнитного по­ тока рассеивания толщина ее должна быть минимальной и при этом обеспечивать высокую механическую прочность, не растрескиваться при смене температур после слива металла и завалки холодной шихты, обладать высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостыо. Особенно жесткие требования предъявляют к огнеупорным мате­ риалам, - используемым в печах высокой частоты. Помимо перечи­ сленных требований, в огнеупорах для печей высокой частоты должны отсутствовать токопроводящие и магнитные примеси, так как ча­ стицы этих примесей в высокочастотном поле нагреваются, оплав­ ляются и растворяют футеровку, приводя к прогоранию тигля.

Футеровка индукционных печей может быть кислой или основ­ ной. Кислую футеровку изготовляют из кварцевого песка или квар­ цита и использует главным образом в литейных цехах машинострои­ тельных заводов. Она дешевле основной футеровки, обладает более высокой термостойкостью, характеризуется меньшей тепло- и элек­ тропроводностью тиглей из кислых материалов. Срок службы дли­ тельнее. В то же время кислая футеровка восстанавливается многими

116

элементами, входящими в состав легированной стали, и поэтому на металлургических заводах находит ограниченное применение.

Для основной футеровки обычно применяют порошок магне­ зита, реже — порошок, полученный из отходов хромомагнезитовых кирпичей. В некоторых случаях для изготовления тиглей поль­ зуются техническим глиноземом и цирконовым песком (цирконо­ вым силикатом). В качестве связующих используют борную кис­ лоту, буру, жидкое стекло, огнеупорную глину и другие вещества.

Футеровку изготовляют из увлажненных или сухих материалов. Вновь изготовленный тигель должен быть просушен и обожжен, для чего проводят специальную обжиговую плавку.

В тигель с шаблоном загружают чугун и медленно поднимают нагрузку до слабо-красного каления шаблона. Если футеровка изготовлена из увлажненных материалов, то печь сушат в тече­ ние 15—20 ч, при применении сухой массы время сушки уменьшают до нескольких часов, а затем нагрузку увеличивают и расплавляют чугун.

При первой плавке в печь стремятся загрузить как можно больше чугуна с тем, чтобы обжечь тигель до высоты, превышающей обыч­ ный уровень металла. Чугун сильно перегревают, и расплав стано­ вится очень жидкотекучим и хорошо заполняет все неровности поверхности.

После обжиговой плавки на внутренней поверхности тигля обра­ зуется тонкий (2—3 мм) рабочий слой спеченной футеровки. В даль­ нейшем толщина этого слоя постоянно увеличивается. Неспеченный слой набивки выполняет роль буфера, воспринимающего терми­ ческие и механические нагрузки рабочего слоя. Когда футеровка спекается на всю толщину, тигель трескается и выходит из строя.

Стойкость футеровки зависит от состава огнеупорной массы, частоты тока, режима работы и ряда других факторов. На печах с основным тиглем она достигает 40— 100 плавок; стойкость кислых

На печах большой емкости каркас заменяют сплошным кожухом. Элементы каркаса должны обладать большой прочностью и

выдерживать значительные нагрузки. Поскольку каркас расположен в зоне сильного электромагнитного поля индуктора, он может при определенных условиях нагреваться почти так же, как металл в тигле.

Чтобы уменьшить потери на нагрев каркаса, необходимо осла­ бить наводимые в нем токи. Наиболее просто это достигается тем,

скольку наиболее доступным конструкционным материалом является сталь, каркас чаще всего изготовляют из стальных изолированных

друг от друга частей.

Иногда целесообразно снизить вблизи каркаса напряженность магнитного поля. Это может быть достигнуто установкой между индуктором и каркасом магнитопроводов или магнитных экранов.

117

Магнитопровод изготовляют в виде пакетов, набранных из листов электротехнической стали толщиной 0,2—0,5 мм и устанавливаемых по окружности между индуктором и каркасом. Вследствие более высокой магнитной проницаемости электротехнической стали по сравнению с воздухом магнитные силовые линии замыкаются по магнитопроводу и каркаса не достигают. Общее сечение магнитопровода выбирают таким, чтобы концентрация выделяющегося в нем тепла была невелика и ом не нагревался. Это условие выполняется тогда, когда магнитопровод выполнен достаточно массивным. Часто масса магнитопровода заметно превосходит массу садки.

Установка магнитопроводов, кроме того, усложняет конструк­ цию печи и обслуживание индуктора. По этим причинам они находят ограниченное применение.

Более просты и компактны печи с электромагнитными экранами, изготавливаемыми в виде цилиндра из медного или алюминиевого листа и устанавливаемыми между индуктором и каркасом.

Сущность экранирования каркаса заключается в том, что элек­ тромагнитные волны, исходящие от индуктора, наводят в экране токи, противоположные по направлению току индуктора. Эти токи создают поле, противоположное полю индуктора, и оно достигает каркаса значительно ослабленным.

Для обеспечения небольших потерь в экране необходимо, чтобы его толщина минимум в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока. Поэтому электромагнитные экраны наиболее целесообразно применять на установках высокой частоты. Для печей промышлен­ ной частоты толщина медного экрана должна быть не менее 1,3 см.

М е х а н и з м н а к л о н а . Этот механизм должен обеспечи­ вать наклон печи для полного слива металла.

В настоящее время применяют очень разнообразные механизмы. Для печей малой емкости используют механизмы, состоящие из лебедки с ручным или электромеханическим приводом и троса, перекинутого через блок.

Более крупные печи наклоняют при помощи тельфера, сцепляя его крюк с серьгой, укрепленной на каркасе. Крупные печи обору­ дуют гидравлическим приводом наклона, в принципе аналогичным гидравлическому приводу наклона дуговых печей (см. рис. 34).

Вращение печи осуществляется, как правило, вокруг цапф, ось которых проходит под носком печи. В некоторых случаях вра­ щение начинается вокруг нижних цапф и существляется с большой скоростью, пока в гнездо не уложатся верхние цапфы. После этого печь поворачивается вокруг верхней пары цапф, но уже с меньшей скоростью (увеличивается радиус точки приложения сил).

К р ы ш к а предназначена для уменьшения тепловых потерь излучением с поверхности расплава и поддержания температуры шлака на более высоком уровне.

Последнее требование в некоторых случаях приобретает особенно важное значение, так как шлаки в индукционных печах нагреваются только за счет тепла металла. Однако учитывая, что при использо­ вании индукционных печей, как правило, не ставится задача глу-

118

зуется несколькими десятыми нанометра (несколькими ангстремами), что примерно соответствует диаметрам атомов. Поэтому валентные электроны, принадлежащие внешним оболочкам, в твердом металле коллективизируются и находятся под воздействием ряда атомов. Характерным для твердых тел является коллективное перемещение большого числа частиц под действием внешних сил.

Для газов характерен полный беспорядок расположения ча­ стиц, которые находятся в хаотическом движении. Свободный про­ бег частиц и скорость их движения в газе значительно больше, чем в твердом теле. Энергия беспорядочного движения частиц со­ ставляет основную часть в полном запасе их энергии. Простейшими частицами идеального газа являются молекулы.

Определенное сходство между жидкостью и газом (например, изотропность, способность занимать форму сосуда) привело к мне­ нию, что жидкость представляет собой газ, уплотненный силами межчастичного взаимодействия, и что строение их идентично. Такое мнение получило широкое распространение, так как соот­ ветствовало теории Ван-дер-Ваальса, который в 1873 г. показал непрерывность перехода от жидкости к газу. Как известно, предло­

Развитые на основе уравнения Ван-дер-Ваальса представления были перенесены и на жидкий металл.

Однако сходство жидкостей с газами оказалось закономерным лишь при высоких температурах, близких к критической, и неболь­ ших давлениях, т. е. когда плотность жидкости мала по сравнению с плотностью твердого тела.

При температурах, близких к температуре кристаллизации, а именно эта область состояний представляет интерес при изуче­ нии процессов производства стали, жидкость обнаруживает сходств.о с твердыми кристаллами. Это основывается на ряде опытных данных, из которых ниже приводятся следующие.

Увеличение объема большинства металлов при плавлении незна­ чительно и составляет 2,5—5%. Расстояния между частицами при этом увеличиваются всего на 0,8— 1,6%. Это показывает, что при плавлении в жидком металле сохраняется некоторое сходство в рас­ положении частиц в твердом металле.

При плавлении мало изменяется и энергия взаимодействия между частицами, а также степень их беспорядочности. О первом обстоя­ тельстве свидетельствует сравнительно небольшая теплота плавле­ ния [для железа ДЯПЛ= 14900 (или 3560), а ДЯНСП=353000 Дж/(г-атом) (или 84240 кал/(г-атом) ]. О втором-— малое изменение энтропии при плавлении Д5ПЛ= ДЯПЛ/ТПЛ, равное’примерно 12,37 Дж/(г-атом • °С)

120