Тигельная печь как трансформатор (схема, параметры, основные соотношения)

ВВЕДЕНИЕ
Существующая потребность современной техники в специальных сталях и сплавах определяет развитие специальной электрометаллургии как отрасли по производству черных и цветных металлов, что вызывает необходимость создания новых и совершенствование существующих электротермических агрегатов. Технико-экономические предпосылки применения электронагрева в промышленности связаны с тем, что ряд технологических процессов практически невозможно осуществить без электронагрева. Целесообразность его применения определяется значимостью получаемой продукции, величину экономического эффекта подсчитывают по отношению к отрасли без электронагреваКритериям высокой энергоэффективности, качества продукции и экологичности в полной мере соответствуют индукционные тигельные печи (ИТП), которые применяются для выплавки качественных черных, цветных металлов и их сплавов. [3, c. 5]Вопросы учета особенностей индукционного нагрева шихты в индукционных тигельных печах рассматривались в работах Вайнберга А.М., Слухоцкого А.Е., Демидовича В.Б., Поздняка И.В. и др., а специфике выбора и применения полупроводниковых преобразователей частоты для питания индукционных установок посвящены работы Васильева А.С., Дзлиева С.В., Лабунцова В.А. и других ученых. [3, c. 8]Цель работы заключается в исследовании тигельной печи как трансформатора, ее схемы, параметров и основных соотношений. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:изучить понятие дефиниции «тигельная печь», ее назначение, плюсы и минусы использования;изучить схему индукционной тигельной печи и основные параметры для разных металлов;исследовать принцип работы печи.Объект исследования – тигельная индукционная печь.Предмет исследования – электротехнический комплекс.Основные методы, применяемые в написании рефераты: описания, обобщения, дедукции, сравнения.Структура работы включает: введение, основную часть из 3 разделов, заключение и список использованных источников.НАЗНАЧЕНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИИндукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах. В настоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Тигельные индукционные печи применяют главным образом для плавки высококачественных сталей и других специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава, что недостижимо при плавке в пламенных и дуговых печах. Общий вид индукционной тигельной печи представлен на рисунке 1.Рисунок 1 – Общий вид индукционной тигельной печи типа ИЛТ-2,5: 1 – крышка; 2 – установка индуктора; 3 – кожух выводов; 4 – рама основания; 5 – каркас печиВ качестве примера в таблице 1 приведены технические данные некоторых тигельных индукционных печей.Таблица 1 – Технические характеристики тигельных печейНаименование тигельной печиДля плавки сталиДля плавки чугунаДля плавки алюминия и его сплавовТип печиИСТ-1,0, 2,5, 6, 10ИЧТ-2,5, 6ИАТ-0,4, 1,6Емкость, т1,0, 2,5, 6, 102,5, 60,4, 1,6Мощность, кВт790, 2350, 2330, 3200910, 1600170,320, 1400Частота, Гц1000, 500, 500, 50050,5050,50,50Напряжение на индукторе, В2000, 1910, 1500,1500980,1000340, 485, 1050Максимальная рабочая температура, С1650,1600,1650,16501400,1400750,750,750Максимальная производительность, кг/ч1330, 4000, 3500, 50001700, 2200230, 1300, 2000Удельный расход энергии на расплавление, кВт*ч/т625, 600, 600, 640550, 546745, 580, 560Габариты, мм2700*2120 высота 38003000*2850 высота 37403164*3000 высота 36204815*3120 высота 46203164*3000 высота 31004840*3600 высота 5570Масса, т6,5, 15,417,2839,6Плавка обычных сортов стали в печах без сердечника менее экономична, чем в дуговых, так же как и обычных цветных металлов и сплавов, по сравнению с индукционными канальными печами. Однако в настоящее время тигельные индукционные печи повышенной и промышленной частоты широко применяют за рубежом и в России для плавки обычных тяжелых и легких цветных металлов и их сплавов в производствах с периодическим режимом работы и широким ассортиментом выплавляемых сплавов, а также для плавки сильно загрязненной шихты с большим содержанием стружки или сплавов, требующих модифицирования, поскольку в канальных печах наличие каналов затрудняет перевод печей с плавки одного сплава на другой, и в то же время флюсы и модифицирующие соли, а также грязная мелкая шихта способствуют зарастанию каналов. Таким образом, тигельные индукционные печи, хотя и отличаются более низкими КПД и cosϕ , а также представляют собой более дорогое и сложное электротехническое устройство по сравнению с индукционными канальными печами, все же в указанных случаях более приемлемы и удобны в эксплуатации. Следует отметить попытку совмещения некоторых достоинств и преимуществ индукционных канальных печей (высокий электрический КПД) и индукционных тигельных печей (относительная простота ее футеровки) в промежуточном конструктивном решении между этими типами печей – создание индукционной тигельной печи с кольцевой камерой. При таком решении могут частично проявиться преимущества обоих основных типов печей. Из-за наличия канала, открытого сверху, который к тому же еще и много шире, чем в канальной печи, металл в печи можно замораживать и вновь запускать печь, используя кольцо замерзшего металла или заливая жидкий металл. Интенсивное движение расплава, имеющее место в печи с кольцевой камерой, ограничивает мощность печи. Поэтому такая печь используется преимущественно для поддержания металла в расплавленном состоянии. При этом она имеет то преимущество, что на наружной поверхности кожуха могут устанавливаться любые элементы конструкции для загрузки или отбора жидкого материала. Для работы печи металл канала постоянно должен образовывать замкнутое кольцо так же, как в индукционной канальной печи. При наклоне нагрев прекращается в том случае, если кольцо разрывается вследствие очень большого угла наклона. Индукционные тигельные печи как плавильные устройства обладают большими достоинствами, важнейшие из которых:выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи);высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах);возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую;простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.Необходимо отметить следующие недостатки тигельных печей: относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Относительно холодные шлаки затрудняют протекание реакций между металлом и шлаком и, следовательно, затрудняют процессы рафинирования.;сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла);высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше 50 Гц;более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в установке источник получения высокой или повышенной частоты, а также конденсаторов, а также при плавке материалов с малым удельным сопротивлением. [5] Таким образом, сочетанием таких качеств (высокая стоимость электрооборудования и низкий КПД) определяется область применения индукционных тигельных печей: плавка легированных сталей и синтетического чугуна, цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благородных металлов. Поскольку область применения этих печей ограничивается не техническими, а экономическими факторами, по мере увеличения производства электроэнергии она непрерывно расширяется, захватывая все более дешевые металлы и сплавы.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙОсновными элементами электрической схемы индукционной плавильной установки с тигельными печами являются: 1) индуктор; 2) источник питания (в виде трансформатора с переключателем ступеней напряжения для системы питания промышленной частоты; машинного генератора или тиристорного преобразователя с рабочей частотой 500–1000 Гц или лампового (электронного) генератора с рабочей частотой 10 000 Гц и выше); 3) конденсаторная батарея; 4) токопровод, соединяющий индуктор с конденсаторной батареей и источником питания; 5) коммутационная аппаратура для включения печи и переключения конденсаторов и витков индуктора; 6) регулирующие трансформаторы и контрольно-измерительные приборы; 7) защитная и сигнальная аппаратура; 8) система автоматического регулирования электрического режима (АРЭР), в т. ч. регуляторы напряжения и тока генератора, регулятор коэффициента мощности и система автоматического переключения витков индуктора. В комплект (рисунок 2) индукционной плавильной установки повышенной частоты входят, как правило, две индукционные тигельные печи, источник питания повышенной частоты, агрегат возбуждения, шкаф управления генератором, контактный шкаф с автотрансформаторным пускателем, аппаратура сигнализации на случай аварийной ситуации, конденсаторная батарея, маслонапорная установка для гидравлического оборудования с пультом управления. Все электрооборудование объединено в генераторные станции, поставляемые заводами-изготовителями плавильных установок.Рисунок 2 – Принципиальная схема питания и управления индукционной плавильной установкой с двумя тигельными печами повышенной частотыВ процессе работы индукционных установок одна тигельная печь находится в эксплуатации, а во второй осуществляют набивку, сушку и подготовку тигля к плавке. Конденсаторная батарея (1К–6К) включается по схеме резонанса токов параллельно индуктору. Для изменения реактивной мощности металла в процессе плавки (изменение параметров садки при нагреве, добавление шихты в тигель по мере расплавления и т. п.) используют подстройку коэффициента мощности, подключая различное количество конденсаторных батарей при помощи контакторов 1КК–5КК. Для контроля за изменением коэффициента мощности (cos) в контуре ИП-КБ служит фазометр. Конденсаторная батарея выполняется в виде стальных открытых шкафов, в которых в нижней их части устанавливаются конденсаторы в один или два этажа. В верхней части шкафов монтируются контакторы для переключения конденсаторов. Для предотвращения опасности пробоя конденсаторных батарей из-за коммутационных перенапряжений их подключают только при обесточенной цепи. Для повышения безопасности при ошибочном отключении конденсаторов используют соответствующую блокировку (блок-контакт БК в цепи катушки главного контактора КЛ). Кроме того, чтобы избежать включение конденсаторной батареи без охлаждения на охлаждающей магистрали предусматривается реле давления воды РД с контактами, включенными в цепь катушки главного контактора КЛ. Это позволяет подключать печь только при наличии охлаждающей воды в конденсаторной батарее. Подключение генератора повышенной частоты 1Г и конденсаторной батареи 1К–6К к любой из двух индукционных печей производят при помощи переключателей 1П и 2П при обесточенной цепи. Добавочные отводы индуктора присоединяют к цепи контакторами 1КИ–2КИ или 3КИ–4КИ. Плавная подача напряжения на индуктор обеспечивается реостатом 2Р в цепи возбуждения генератора постоянного тока (возбудитель) 2Г. При использовании для питания специального выпрямителя плавное регулирование напряжением осуществляют автотрансформатором. Режим работы силовой части установки контролируют при помощи измерительных приборов, число которых позволяет следить за двумя независимыми электрическими цепями: за цепью приводного электродвигателя и цепью генератор – конден-саторная батарея – индукционная печь. Вторая цепь включает в себя цепи генератора с участком до разветвления, цепи конденсаторов и индукционной печи. Наличие двух трансформаторов напряжения 1ТН и 2ТН вызвано различием напряжений на зажимах генератора повышенной частоты и конденсаторной батареи, подсоединение которых может быть осуществлено к разным виткам индуктора. В качестве измерительных приборов наиболее часто используются амперметры 1А и 2А, вольтметры 1V и 2V, ваттметр W и фазометр cos. Для контроля за состоянием футеровки тигля при работе сталеплавильных печей используют сигнализатор проедания тигля типа АСЧ, работа которого основана на контроле активного сопротивления футеровки во время плавки. Он состоит из двух электродов. Один из них (С) устанавливают аксиально индуктору в виде цилиндрической металлической сетки, разрезанной по образующей. Другой электрод располагают в подине в виде карборундового стержня 1ПЭ. Питание сигнализатора осуществляется от сети через раздельный трансформатор ТР и выпрямитель 3В. При уменьшении сопротивления тигля в процессе абразивного износа или образования трещин в футеровке возрастает сила тока, протекающего через миллиамперметр mA, добавочное сопротивление ДР и обмотку аварийной сигнализации РС. При замыкании контактов РС включается промежуточное реле РП и сигнальная лампа ЛС с сиреной СС, которую при необходимости можно отключить выключателем В. Контакты РП, блокируя обмотку РП, обеспечивают сигнализацию и после выключения печи. Сигнальное устройство может быть дополнено системой автоматического выключения и выдува воды из индуктора сжатым воздухом после отключения питания индуктора для устранения возможности взрыва. Сигнальное устройство может быть подключено при помощи переключателя ЗП к любой из двух печей. Отключение сигнала сирены производят кнопкой КС, обесточивая обмотку РП и размыкая контакты РП. [2, c. 120-123]ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИВ основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую. -279409525Индукционные тигельные печи также называют индукционными печами без сердечника. Печь представляет собой плавильный тигель, как правило, цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и подключенного к источнику переменного тока (рисунок 3). Металлическая шихта (материал, подлежащий плавлению) загружается в тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемыйРисунок 3 – Индукционная плавка металлов в тигельной печи (1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – огнеупорный тигель помещенный в полость индуктора)переменным током, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора. Магнитный поток в тигельной печи проходит в той или иной степени по самой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое значение магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты. Когда в качестве шихты применяют ферромагнитные металлы, то до того момента, пока их температура еще не достигла точки Кюри, т.е. o ~ 740 ÷ 770 С, их магнитная проницаемость сохраняет свою величину. В этом случае шихта будет играть роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого сердечника. Иначе говоря, при плавке в тигельной печи ферромагнитных металлов разогрев шихты в первый период (до точки Кюри) произойдет не только за счет тепла, выделяемого от циркуляции в ней вихревых токов, но и за счет потерь на ее перемагничивание, которое в этот период наблюдается в шихте. После точки Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушного трансформатора, т.е. трансформатора без сердечника. Тигельная печь по принципу действия подобна воздушному трансформатору. Мощность и тепло, выделяемые вихревыми токами, которые наводятся и циркулируют в садке, зависят от частоты переменного магнитного поля. При промышленной частоте Гц концентрация энергии, выделяемой вихревыми токами, незначительна и не превышает несколько ватт на 1 см2 поверхности. Поэтому для эффективной работы печи без сердечника приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты, что достигается установкой специальных генераторов частоты. Как показали теоретические и экспериментальные исследования печей без сердечника, частота питающего тока может быть соответственно понижена в зависимости от диаметра садки, т.е. емкости печи, и удельного сопротивления расплавляемого металла. В частности, этими исследованиями определены следующие основные положения, которые позволили значительно упростить установку печей без сердечника: каждой емкости печи и сопротивлению шихты соответствует своя оптимальная частота питающего тока. При частоте, ниже оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – почти не изменяется; с увеличением емкости печи частоту тока можно соответственно снизить. В результате анализа отмеченных выше факторов (диаметра садки и сопротивления шихты), влияющих на частоту питающего тока, было получено уравнение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и диаметра садки [2, 3]:fmin≥25∙108p2d2где fmin – минимальная частота тока, Гц; ρ2 – удельное сопротивление расплавленного металла; d – диаметр садки. Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоскости витков обмотки, вызовет вихревые токи. Вследствие поверхностного эффекта эти наведенные в садке токи достигают максимальной величины на внешней поверхности последней и значительно уменьшаются от краев к середине. Такое уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру происходит по сложному закону (комбинация функций Бесселя). При большом сечении проводника или при большой частоте тока уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону.[1, c. 91]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время в чугунолитейном производстве России насчитывается порядка 2740 плавильных агрегатов, в том числе 76% вагранок, 23% - индукционных электропечей и миксеров и около 1% - электродуговых печей переменного и постоянного тока. На большинстве предприятий основные фонды амортизированы до 70-80%, поэтому выбор рациональной и экологичной технологии плавки различных металлов, а также типа плавильного агрегата является чрезвычайно актуальной задачей для многих предприятий, т.к. в рыночных условиях решающей становится технико-экономическая эффективность процесса плавки.В основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую.Отличительной особенностью индукционных тигельных печей является то, что нагреваемые в них электропроводящие тела имеют с индуктором, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с электрическим током.В результате выполнения работы была достигнута основная цель, заключающаяся в исследовании тигельной печи как трансформатора, ее схемы, параметров и основных соотношений. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:изучено понятие дефиниции «тигельная печь», ее назначение, плюсы и минусы использования;изучена схему индукционной тигельной печи и основные параметры для разных металлов;исследованы принцип работы тигельной печи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Индукционные тигельные печи : Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Л.И. Иванова, Л.С. Гробова, Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов. – М.: Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2012. – 87 с.Конструирование и расчет индукционных плавильных печей : учебное пособие / С. В. Карелов [и др.]. – М.: Екатеринбург : УрФУ, 2014. – 162 с.Кулешов А.О. Разработка методики расчета и оптимизации режимов работы индукционной тигельной печи с проводящим тиглем / А.О. Кулешов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М.: Москва, 2018. – 136 с.Лебедев А.В. Выбор источников питания для индукционного нагрева. – М.: Саранск: «Издательский дом МГУ им. Н.П. Огарева», 2018. – с. 24-48.Минеев А.Р., Колобов А.И., Погребисский М.Я. Моделирование электротехнологических процессов и установок. – М.: Компания Спутник+, 2014. – 125 с.