Индукционные плавильные печи

В индукционных установках осуществляется нагрев проводящих тел за счет теплового действия вихревых токов. Переменное электромагнитное поле, необходимое для работы установки, создается специальным излучателем-индуктором, в который помещают нагреваемый материал. В соответствии с назначением различают следующие виды индукционных электротермических установок:

- плавильные печи;

- установки для поверхностного закала;

- установки для сквозного нагрева;

- установки для локального нагрева деталей.

В настоящем пособии рассматриваются только индукционные плавильные печи.

Индуктор представляет собой соленоид из полой медной трубки с водяным охлаждением. В индукционных печах используются промышленные частоты 50 Гц; повышенные частоты 0,5 – 10 кГц, получаемые от электромашинных или тиристорных преобразователей частоты; высокие частоты 66 – 440 кГц, получаемые от ламповых генераторов. Частоты индукционного нагрева стандартизованы (кГц): 0,05; 0,5; 1,0; 2,5; 4,0; 8,0; 10,0; 66,0; 440.

Различают индукционные печи с магнитопроводом (канальные) и без магнитопровода (тигельные). В любом случае магнитный поток, создаваемый обмоткой индуктора, проходит через нагреваемый металл. Чаще используют тигельные печи. Здесь расплавленный металл находится в керамическом тигле, который помещен внутрь индуктора. Индукционные тигельные печи промышленной частоты используют для плавки и выдержки чугуна, а повышенной частоты – для плавки легированных сталей. Такие печи изготавливаются вместимостью до 60 т и мощностью до 18000 кВт.

Выделяемая в нагреваемом металле мощность пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора и зависит от удельного электрического сопротивления металла r, его магнитной проницаемости m, частоты тока f. Величина называется коэффициентом поглощения мощности.

Индуктированный в металле переменный ток распределяется неравномерно по сечению тигля: максимальная плотность вихревых токов будет на поверхности металла.

Из-за больших магнитных потоков рассеяния коэффициент мощности индукционных печей низкий – порядка 0,1 – 0,2. реактивная мощность тигельной печи в 5 – 10 раз превышает активную мощность. Для повышения cos j параллельно индуктору подключают батарею конденсаторов.

В индукционных электропечах наблюдаются электродинамические явления, возникающие вследствие взаимодействия тока с индуктора с токами, индуктируемыми в нагреваемом металле.

В индукционных тигельных печах металл испытывает радиальное давление, вследствие чего происходит подъем уровня металла по оси; образуется мениск и происходит циркуляция расплавленного металла, способствующая равномерному распределению в нем легирующих элементов. Скорость циркуляции при прочих равных условиях пропорциональна . В то же время чрезмерная циркуляция жидкого металла отрицательно влияет на стойкость футеровки.

Чем выше частота тока, тем выше КПД установки, но меньше скорость циркуляции. Частота тока должна быть оптимальной по технико-экономическим показателям.

В процессе нагрева r возрастает, а m, особенно вблизи точки Кюри, уменьшается. Это влечет за собой необходимость регулирования по ходу плавки таких параметров как напряжение на индукторе, величину емкости конденсаторов, а в ряде случаев – частоты.

В комплект электрооборудования индукционных печей промышленной частоты входят: печной регулируемый трансформатор, индуктор, батарея конденсаторов, симметрирующее устройство, коммутационное оборудование, автоматический регулятор и аппаратура управления, защиты и сигнализации.

Рис. 8.7. Схема электрооборудования индукционной печи промышленной частоты.

Схема электрооборудования такой печи приведена на рис. 8.7. Здесь печной трансформатор Т подключен к сети через автоматический выключатель QF и разъединитель QS. Трансформатор регулируется переключением ступеней на первичной стороне при помощи переключателя ступеней напряжения ПСН. Печи малой мощности до 2500 кВт содержат трехфазный трансформатор и однофазный индуктор; в этом случае применяют симметрирующее устройство LC, CC, выравнивающее нагрузку трех фаз.

Для компенсации реактивной мощности индукционной печи параллельно индуктору подключена батарея конденсаторов БК. Для поддержания коэффициента мощности на заданном уровне в процессе работы печи автоматически изменяется емкость батареи конденсаторов. Это осуществляется с помощью контакторов КМ, через которые подключена регулируемая часть батарей конденсаторов.

От одного комплекта оборудования могут питаться две печи П1 и П2 поочередно через переключатели QS1, QS2. АРИР – регулятор режима индуктора. ТА1, ТА2 и TV1, TV2 – соответственно измерительные трансформаторы тока и напряжения в первичной цепи и в цепи индуктора.

Для повышения КПД печей, особенно не больших по объему, используют повышенные и высокие частоты. В качестве электромашинных генераторов повышенной частоты используют синхронные генераторы на частоту 500 Гц и индукторные генераторы на частоту 500 – 10000 Гц. При этом мощность генератора может быть до 1500 кВт в одной установке. Электромашинные генераторы наряду с общими недостатками, свойственными электрическим машинам, не позволяют регулировать частоту для оптимизации процесса нагрева по ходу плавки.

Более перспективными являются статические преобразователи частоты, из которых наиболее распространены тиристорные преобразователи. Они малогабаритны, бесшумны, не требуют специального помещения, располагаются непосредственно вблизи печи, позволяют плавно регулировать частоту. Серийно выпускаемые тиристорные преобразователи частоты типа ТП4 могут генерировать частоты 1 – 4 кГц при мощностях 100 – 800 кВт, а типа С4Г – 2 – 10 кГц при мощностях 100 – 250 кВт. Выходное напряжение преобразователей 400 и 800 В. Преобразователи оснащены системой автоматического регулирования, обеспечивающей автоматическое поддержание оптимальных значений мощности, напряжения, cos j.

Рис. 8.8. Тиристорный преобразователь частоты.

На рис. 8.8 представлена схема тиристорного преобразователя частоты. В его состав входит мостовой управляемый выпрямитель UZ, автономный инвертор UZ’, Lф-Сф-фильтр, катодный реактор Lк и аппаратура управления вентилями АУВ и инвертором АУИ.

Выпрямленный ток подается на инвертор UZ', который преобразует его в переменный ток повышенной частоты, необходимый для питания индуктора И.

Схема автономного инвертора содержит тиристоры VS1—VS4, коммутирующий конденсатор СК и аппаратуру управле­ния АУИ. Включение тиристоров инвертора осуществляется управляющими импульсами, которые формируются генератором импульсов, входящим в состав аппаратуры АУИ. Конденсатор СК служит для коммутации (запирания) тиристоров, выходя­щих из работы. Каждый полупериод при подаче отпирающих импульсов на неработающую пару тиристоров, конденсатор раз­ряжается через нагрузку и током разряда отключает работав­шую до этого момента пару тиристоров. Изменяя частоту подачи отпирающих импульсов на тиристоры VS1—VS4 инвертора, можно регулировать частоту тока на индукторе И. Батарея конденсаторов БК служит для компенсации реактивной мощности индуктора.

Пределы изменения рабочей частоты ± 20 %, КПД тиристорных преобразователей 0,90 – 0,95.

Как известно, время запирания силовых тиристоров составляет 10 – 25 мкс, что ограничивает предельную частоту инвертора величиной 10 – 20 кГц.

В тех случаях, когда требуются более высокие частоты индукции используются ламповые генераторы с использованием мощных генераторных электронных ламп. Такие генераторы могут формировать напряжение частотой до 2 МГц величиной до 11 кВ при мощностях до сотен киловатт. КПД лампового генератора из-за больших потерь на аноде не превышает 0,6 – 0,7. Схема лампового генератора для питания индукционной печи показана на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Мощный ламповый генератор индукционной нагревательной установки.

Трансформатор Т повышает напряжение до 8 – 11 кВ, которое подается на высоковольтный выпрямитель UZ, выполненный по схеме Ларионова с нулевым вентилем. Выходное напряжение генератора может регулироваться на первичной стороне трансформатора при помощи тиристоров VS, включенных по встречно-параллельной схеме.

Сглаженное дросселем высокое напряжение поступает на питание анодных цепей генератора, состоящего из лампы-триода V колебательного контура TV, Cв и цепи обратной связи L₀, C₀, R₀. Колебательный контур генератора разделен от цепи постоянного тока разделительным конденсатором Ск. Вторичная обмотка трансформатора TV запитывает индуктор печи И. Частота генерации определяется параметрами контура. Условие возбуждения обеспечиваются параметрами цепи обратной связи.

Генераторные лампы имеют специальное исполнение с водяным охлаждением.

Рекомендуемая литература.

1. Фотиев М.М. Электропривод и оборудование металлургических цехов. – М.: Металлургия, 1990, 352 с.

2. Фотиев М.М. Электрооборудование предприятий черной металлургии. – М.: Металлургия, 1980, 312 с.

3. Есаков В.П. Электрооборудование и электропривод промышленных установок. – К.: Вища школа, 1981, 248 с.