Вибір частоти струму для живлення індукційних печей тигельних
Використання струму промислової частоти харчування індукційних тигельних плавильних печей представляється здавалося б найбільш раціональним з погляду економії коштів, оскільки потребує витрат, пов'язаних із придбанням перетворювача частоти і з втратами енергії під час його роботи. Однак при вирішенні електротехнічних завдань є обмеження використання струму промислової частоти для індукційних тигельних печей. Крім того, використання струмів підвищеної частоти дозволяє покращити показники плавки і, зокрема, збільшити її продуктивність, зменшити чад металу.
Для з'ясування зв'язку властивостей садка тигля і необхідної частоти струму живлення скористаємося висновками теорії індукційного нагріву і чотирма формулами, які будуть наведені без висновку.
Протягом тривалого періоду плавки (від розплавлення шихти і до випуску металу) садка тигля є суцільним металевим тілом, близьким за формою до циліндра. Теоретично індукційного нагріву показано, що товщина поверхневого шару Де, в якому циркулюють вихрові струми, залежить від питомого електричного опору металу р, його відносної магнітної проникності иг і частоти струму/ Ця величина, звана глибиною проникнення струму, визначається за формулою
де розмірності величин Ае - м; р - Омм; / - Гц. З формули випливає, що зі збільшенням частоти струму глибина проникнення зменшується. Розплави з низьким електричним опором (на основі міді та алюмінію) характеризуються меншою глибиною проникнення струму, ніж чавуни та сталі. При нагріванні магнітних сталей і чавунів глибина проникнення струму в них збільшується приблизно в 10 разів при переході через точку Кюрі (730. 760°С залежно від марки сплаву). Цепояснюється тим, що відносна магнітна проникність феромагнетиків иг при цьому зменшується від 100 до 1.
Розрахунки, підтверджені практикою, показують, що для отримання задовільного ККД індукційного нагріву діаметр циліндра, що нагрівається, повинен перевищувати глибину проникнення не менше ніж у 4-5 разів, тобто.
Прийнято вважати, що в цьому випадку система індуктор-садка працює в області яскраво вираженого поверхневого ефекту, тобто в тілі, що нагрівається, існують поверхневий токонесущий шар і серцевина, величиною струму в якій можна знехтувати.
Циліндр меншого діаметра, поміщений індуктор, виявляється «прозорим» для електромагнітних хвиль, тобто, проходячи через нього, вони не викликають істотного нагріву. Це явище використовується в конструкції сердечників трансформаторів, які, на відміну від шихти, не повинні розігріватися. Тому сердечники виконуються не суцільними, а збірними з пластин, товщина яких набагато менша за глибину проникнення струму. Пластини сердечників електрично ізолюються одна від одної лаком або шляхом їхньої фосфатації.
Користуючись співвідношеннями (12.1) та (12.2), визначимо мінімальний діаметр тиглю чавуноплавильної печі, що працює на струмі промислової частоти – 50 Гц. Для цього у формулу (12.1) підставимо значення електромагнітних характеристик рідкого чугуна* Рж.ч= 1Д-І)" 6 Омм; відносну магнітну проникність иг = 1; частоту струму/= 50 Гц. При цьому глибина проникнення Де виявляється рівною 0,081 м, або 81 мм.
Отже, мінімальний діаметр тигля індукційної печі промислової частоти згідно з (12.2) має бути: dn > > (4.5) • 81 = 324. 405 мм. Виконання цієї умови забезпечує можливість перегріву рідкого металу у печі з мінімальним прийнятним ККД.
Насправді індукційні печі промислової частоти мають діаметр тигля щонайменше 500 мм і ємність щонайменше 1 т.
Однак пуск такої печі на звичайній твердій завалці практично неможливий, тому що розміри шматків шихти, що використовується в чавуноливарному виробництві, значно менше 324 400 мм. Нагрівання реальної шихти на струмі промислової частоти можливе (і дуже ефективне, як буде показано далі) тільки до температури точки Кюрі. Внаслідок цього плавку в печах промислової частоти ведуть із використанням перехідної ванни (плавка із «болотом»). Для цього при випуску попередньої плавки в тиглі залишають так зване "болото" - не менше 1/3 об'єму рідкого металу, і при проведенні наступної плавки тепло, що виділяється в "болоті", передається твердій шихті, яка при завантаженні в піч виявляється зануреною в рідкий метал.
Технологія плавки чавуну в печах промислової частоти з «болотом» вимагає обов'язкового видалення з поверхні шматків шихти вологи, масел та емульсії, щоб уникнути викидів рідкого металу під час завантаження. Для цього шихту підігрівають газом до температур близько 500 ° С у спеціальних нагрівальних цебрах.
Перша плавка на холодній печі за відсутності рідкого металу в цеху проводиться з використанням болванок. Вони є зливками, діаметр яких близький до діаметру тигля і, отже, задовольняє умову ефективного індукційного нагріву.
В даний час існують чавуноплавильні індукційні печі промислової частоти ємністю від 1 до 60 т, що мають в українських каталогах буквений індекс ІЛТ (індукційна чавуноплавильна печь тигельна). Числа, зазначені після цього індексу, означають ємність тигля в тоннах і через косу межу потужність печі в мегаватах, наприклад ИЧТ-31/7,1.
Якщо поумовам виробництва плавку чавуну в індукційних печах тигельних необхідно вести на твердій завалці без перехідної ванни, частота струму для цих печей повинна відповідати розмірам шматків використовуваної шихти. При цьому вважається, що розмір кожного шматка має відповідати умові рівняння (12.2).
Компонентом шихти, обов'язковим для переплаву в ливарному цеху, є литник і, зокрема, стояк. Діаметр стояка в умовах автомобільного лиття можна прийняти орієнтовно рівним 40 мм. Тоді глибина проникнення струму, згідно з умовою (12.2), має становити величину близько 10 мм, тобто. 0,01м.
Вирішуючи рівняння (12.1) щодо/і підставивши в нього Ае = = 0,01 м, отримаємо, що частота струму має бути близько 2400 Гц. Саме на такій частоті працюють печі ємністю 60. 400 кг для плавки сталі та чавуну.
Розрахунки, проведені Г.И.Бабатом, показують, що з постійної величині струму в індукторі найбільша питома потужність (т. е. потужність, віднесена до одиниці обсягу металу) виділяється у шматках, мають форму циліндра, діаметр якого дорівнює 3,5АЭ. Для шматків шихти у формі пластин максимальна питома потужність відповідає умові: товщина пластин 5 = 2,5АЕ, для кулі його діаметрd= 4,8АЕ.
Тому оптимальною шихтою для плавки на частоті 2400 Гц будуть циліндричні шматки діаметром 35 мм, пластини товщиною 25 мм або кулясті шматки діаметром 50 мм.
Печі ємністю 1 т чавуну чи сталі працюють на частоті 1000 Гц. Зниження частоти в порівнянні з розрахунковою виявляється можливим завдяки тому, що в тиглях такої ємності шматки шихти нагріваються не тільки кожен окремо під дією індукованих в них струмів, але і в результаті перехідних контактів між шматками. Наявність цих контактів призводить доутворенню великих за перерізом замкнутих електричних контурів, якими циркулюють індуктивні струми.
Леговані чавуни для виливків виплавляються в порівняно невеликих кількостях, тому для їх плавки використовують середні печі серії ІСТ (індукційні сталеплавильні тигельні).