Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
3.2.1 Индукционные канальные печи 3.2.1.1 Назначение индукционных канальных печей Индукционные канальные печи в основном используются для плавки цветных металлов (медь и сплавы на медной основе – латуни, бронзы, нейзильберы, мельхиоры, куниали; цинк; алюминий и их сплавы) и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование индукционных канальных печей для плавки стали ограничивается из-за недостаточной стойкости футеровки. Наличие в индукционных канальных печах электродинамического и теплового движения расплавленного металла или сплава обеспечивает однородность химического состава и равномерность температуры расплавленного металла или сплава в ванне печи. Индукционные канальные печи рекомендуется использовать в тех случаях, когда к выплавляемому металлу и полученным из него отливкам предъявляются высокие требования, в частности, по минимальным газонасыщенности и неметаллическим включениям. Индукционные канальные миксеры предназначены для перегрева жидкого металла, выравнивания состава, создания постоянных температурных условий литья и в ряде случаев для дозирования и регулирования скорости литья в кристаллизаторы литейных машин или в литейные формы. Шихта для индукционных канальных печей должна приготовляться в соответствии с заданным составом выплавляемой марки металла или сплава, должна быть сухой и состоять в основном из первичного чистого металла. Применение канальных печей не рекомендуется при использовании загрязненной вторичной шихты, использовании стружки, особенно при выплавке алюминиевых сплавов, а также при выплавке всевозможных лигатур и сплавов на медной основе, содержащих свинец и олово, так как при этом резко снижается срок службы футеровки, и эксплуатация канальных печей становится затруднительной. В [17] приведена следующая классификация индукционных канальных печей и миксеров. Печь ИЛК - шахтного и барабанного типов – предназначена для плавки меди и сплавов на медной основе. Миксер ИЛКМ предназначен для выдержки, перегрева и разливки меди и сплавов на медной основе. Печь ИАК предназначена для плавки алюминия и его сплавов. Миксер ИАКР предназначен для перегрева, поддержания стабильной температуры жидкого алюминия и заливки его непосредственно в литейные формы. 173 Печь ИЦК предназначена для плавки катодного цинка. Миксер ИЧКМ – шахтного и барабанного типов - предназначен для выдержки, перегрева, разливки жидкого чугуна, может работать в комплекте с вагранками или индукционными тигельными печами, или дуговыми печами (дуплекс-процесс) 1 Миксер раздаточный ИЧКР предназначен для перегрева, поддержания стабильной температуры жидкого чугуна и заливки его непосредственно в литейные формы, работает в комплексе с литейными машинами и литейными конвейерами. Канальные печи могут работать самостоятельно с периодической разливкой расплавленного металла или сплава либо в составе плавильно- раздаточных агрегатов. Например [4, 5], агрегат ИЛКА-6 состоит из печи ИЛК-6 (полезная емкость 6 т, потребляемая мощность 1264 кВт, напряжение 475 В), переливного желоба и миксера ИЛКМ-6 (полезная емкость 6 т, потребляемая мощность 500 кВт, напряжение 350 В). Этот агрегат предназначен для плавки и полунепрерывной разливки меди и ее сплавов в круглые и плоские слитки. Агрегат ИЛКА-16М2 состоит из двух печей ИЛК- 16М2 (полезная емкость 16 т, потребляемая мощность 1656 кВт, напряжение 475 В), системы переливных обогреваемых желобов и миксера ИЛКМ-16М2 (полезная емкость 16 т, потребляемая мощность 500 кВт, напряжение 350 В), предназначен для непрерывной плавки и разливки высококачественной бескислородной меди на катанку. К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести: 1. Минимальный угар (окисление) и испарение металла, так как нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру. 2. Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода. 1 Применение дуплекс-процессов для плавки в двух различных плавильных агрегатах целесообразно при полном использовании преимуществ каждой печи, таких как энергетические, теплотехнические, эксплуатационные, экономические и др. [8] . Например, при плавке в вагранке КПД при расплавлении достигает 60%, а при перегреве всего 5%. В индукционной печи при плавке КПД низкий, не более 30%, а при перегреве высокий – около 60%, следовательно, соединение вагранки с индукционной печью дает явное преимущество в использовании тепловой энергии. Кроме того, в индукционных печах можно получить металл более точного химического состава и более стабильную температуру, чем в вагранках и дуговых электропечах. 174 В то же время высок и тепловой КПД печи, так как основная масса расплава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку. 3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки. К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся: 1. Тяжелые условия работы футеровки канала – подового камня. Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава, при плавке сплавов, содержащих химически активные компоненты (например, бронзы, имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания каналов. 2. Необходимость постоянно (даже при длительных перерывах в работе) держать в печи сравнительно большое количество расплавленного металла. Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и к ее растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной марки выплавляемого сплава на другую. В этом случае приходится проводить ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют состав сплава от исходного до требуемого. 3. Шлак на поверхности ванны имеет низкую температуру. Это затрудняет проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком. По этой же причине, а также ввиду малой циркуляции расплава вблизи поверхности затруднено расплавление стружки и легкого скрапа. 3.2.1.2 Принцип действия индукционной канальной печи Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций. Конструктивно печь состоит (рис. 3.12) [6] из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной индукционной единицы. Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо. 175 Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1. Перегрев ограничивается некоторой допустимой величиной, лимитирующей допускаемую мощность в канале. Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 20 – 50 % полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Замораживание металла в канале не допускается, во время межплавочного простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии. Рис. 3,12. Устройство индукционной канальной печи шахтного типа Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом. Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны. Ток, протекающий во вторичной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 – 95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной. Перемещение металла обусловлено главным образом электродинамическими усилиями, возникающими в канале, и в меньшей степени конвекцией, связанной 176 перегревом металла в канале по отношению к ванне. Индукционная канальная печь имеет следующие отличия от силовых трансформаторов: 1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток 2 N с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков 1 N (рис. 3.13); 2) вторичный виток – канал – находится от индуктора на относительно большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощности, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что энергетические показатели индукционной канальной печи – это электрический коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – заметно ниже, чем у обычного трансформатора. Рис. 3.13. Принципиальная схема индукционной канальной печи Основные уравнения (уравнение токов и уравнения электрического состояния) для индукционной канальной печи аналогичны уравнениям для трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания (отсутствует напряжение 2 U ): ( ) 2 10 1 I I I ′ − + = & & & ; ( ) 1 1 1 1 1 1 I jX I R E U & & & & + + − = ; 2 2 2 2 2 I X j I R E ′ ′ + ′ ′ = ′ & & Схема замещения и векторная диаграмма индукционной канальной печи приведены на рис. 3.14. Интенсивное движение расплавленного металла из каналов в ванну и в обратном направлении имеет важнейшее значение, так как почти все тепло выделяется в каналах. В возникновении циркуляции металла некоторую роль 177 играет конвекция, связанная с перегревом металла в каналах, но основным фактором является электродинамическое взаимодействие тока в канале с магнитным потоком рассеяния, проходящим между каналом и индуктором (рис. 3.15). Электродинамические силы r F направлены от индуктора и к металлу в канале К при осевом направлении плотности тока в канале z δ . Создаваемое ими давление равно нулю на внутренней поверхности канала и максимально на его наружной поверхности. Вследствие этого металл вытесняется в ванну из устья канала вдоль его наружной стенки и всасывается в канал вдоль его внутренней стенки (рис. 3.16, б). а б Рис. 3.14. Схема замещения и векторная диаграмма: 1 U - напряжение на индукторе; 1 I - ток в индукторе; 10 I - ток холостого хода в индукторе; 2 I ′ - приведенный ток в канале печи; 1 E - ЭДС самоиндукции (наведенная основным потоком в обмотке индуктора); 2 E′ - ЭДС взаимоиндукции (наведенная основным потоком в канале печи); 1 1 X , R - параметры индуктора; 2 2 X , R ′ ′ - параметры канала Рис. 3.15. Схема взаимодействия тока канала с магнитным полем 178 а б Рис. 3.16. Циркуляция металла канальной печи Рис. 3.17. Сдвоенная индукционная единица с однонаправленным движением металла каналах В тех же случаях, когда необходимо ослабить циркуляцию (например, при плавке алюминия), устья делают без расширения, с большим гидравлическим сопротивлением. Сквозное однонаправленное движение металла через канал и ванну вместо симметричной циркуляции позволяет усилить тепло- и массообмен, уменьшить перегрев металла в каналах и за счет этого увеличить стойкость подового камня. Для обеспечения такого движения металла были предложены различные технические решения [7]: винтовые канал с устьями, выходящими в ванну на разной высоте, что резко усиливает конвекцию; каналы переменного сечения, в которых имеется не только радиальная (обжимающая), но и осевая составляющая сил электродинамического взаимодействия тока в канале с собственным магнитным полем; дополнительный электромагнит для создания электродинамической силы, перемещающей металл вверх по центральному каналу сдвоенной индукционной единицы. Применение винтовых каналов и каналов переменного сечения на одноканальных единицах себя не оправдало. Использование дополнительного электромагнита связано с усложнением и удорожанием печи и потому нашло лишь ограниченное применение. Использование каналов с устьями переменного сечения на сдвоенных индукционных единицах дало положительный результат. В сдвоенной единице с различной формой центрального и боковых устьев обусловлено однонаправленное движение металла, особенно интенсивное при отсутствии фазового сдвига между магнитными потоками индукторов. Такие единицы применяются в практике и обеспечивают удвоение срока службы футеровки. 3.2.1.3 Конструкция индукционных канальных печей 179 При большом разнообразии типов индукционных канальных печей основные конструктивные узлы являются общими для них всех: футеровка, трансформатор печи, корпус, вентиляционная установка, механизм наклона (рис. 3.18, 3.19). Трансформатор печи Схема трансформатора печи, элементами которого являются магнитопровод, индуктор, канал, определяется конструкцией печи. Основными элементами трансформатора являются магнитопровод и индуктор. Печь с одной индукционной единицей имеет однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом. Широко применяются также трансформаторы со стержневыми магнитопроводами. Напряжение на первичную обмотку (индуктор) подается от питающего автотрансформатора с большим числом ступеней напряжения, что позволяет регулировать мощность печи. Автотрансформатор включается на линейное напряжение цеховой сети обычно без симметрирующего устройства, поскольку мощность однофазных печей относительно невелика. Рис. 3.18. Индукционная канальная печь для плавки медных сплавов с трехфазной индукционной единицей (шахтного типа): 1, 2 - футеровка; 3 – 5 – трансформатор печи; 6 - 8 –корпус; 9 – крышка; 10 – 11 – вентиляционная установка; 12 – 13 – механизм наклона 180 Рис. 3.19. Индукционная канальная печь (барабанного типа): 1- кожух; 2 – механизм поворота; 3 – футеровка; 4 – индукционная единица; 5- воздушное охлаждение футеровки канальной части; 6 – подвод тока и воды к индукторам Печь со сдвоенной индукционной единицей (рис. 3.20) [17] представляет собой двухфазную нагрузку, так же, как печь с двумя отдельными однофазными индукционными единицами. Индукторы в двухфазной системе подключаются к трехфазной сети по схеме открытого треугольника, если это не вызывает недопустимой несимметрии напряжений, или по схеме Скотта, обеспечивающей равномерную загрузку трех фаз. Конструктивно сдвоенная единица состоит из двух трансформаторов стержневого типа. 181 в) Рис. 3.20. Типовые унифицированные отъемные индукционные единицы: а – для печей ИЛК (мощность при плавке меди 300 кВт, при плавке латуни - 350 кВт, у сдвоенной единицы соответственно 600 и 700 кВт); б – для печей ИАК (мощность 400 кВт); в – для печей ИЧКМ (мощность 500 кВт – однофазная единица и 1000 кВт – сдвоенная единица); 1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – канал; 4 – магнитопровод; 5 - индуктор Печь с трехфазной индукционной единицей может иметь трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора. Последнее предпочтительнее, несмотря на большую массу магнитопровода, так как обеспечивает более удобную сборку и разборку, которые приходится периодически производить при смене футеровки. 182 Трехфазные индукционные единицы или группы однофазных единиц, число которых кратно трем, позволяют равномерно загрузить питающую сеть. Питание многофазных печей осуществляется через регулировочные автотрансформаторы. Магнитопровод трансформатора печи изготовляется из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съемным из-за регулярной сборки и разборки. Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора – квадратная или прямоугольная, а при значительной мощности – крестообразная или ступенчатая. Индуктор представляет собой выполненную из медного провода спиральную катушку. Как правило, катушка индуктора имеет круглое поперечное сечение. Однако в печах, имеющих прямоугольный контур плавильного канала, катушка индуктора может повторять его форму. Полученный из электрического расчета диаметр индуктора определяет размеры располагаемого внутри него сердечника. Печной трансформатор работает в тяжелых температурных условиях. Он нагревается не только за счет электрических потерь в меди и стали, как обычный трансформатор, но и за счет тепловых потерь через футеровку плавильного канала. Поэтому всегда применяется форсированное охлаждение печного трансформатора. Индуктор канальной печи имеет принудительное воздушное или водяное охлаждение. При воздушном охлаждении индуктор изготовлен из медного обмоточного провода прямоугольного сечения, средняя плотность тока составляет 4 5 , 2 − А/мм 2 . При водяном охлаждении индуктор, изготовленный из профилированной медной трубки, желательно неравностенной, с толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) 10 – 15 мм; средняя плотность тока достигает 20 А/мм 2 . Индуктор, как правило, выполняется однослойным, в редких случаях – двухслойным. Последний значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности. Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует стандартному напряжению сети (220, 380 или 500 В). Витковое напряжение при малой мощности индукционной единицы составляет 7 – 10 В, а при большой мощности оно возрастает до 13 – 20 В. Форма витков индуктора обычно круговая, лишь у печей для плавки алюминия, каналы которых состоят из прямолинейных отрезков, а сердечник всегда имеет прямоугольное сечение, витки индуктора также делаются прямоугольными. Индуктор изолируют киперной, асбестовой лентой или лентой из стекловолокна. Между индуктором и сердечником расположен изолирующий цилиндр толщиной 5 – 10 мм из бакелита или стеклотекстолита. Цилиндр фиксируют на сердечнике при помощи забиваемых деревянных клиньев. 183 Когда печь не питается от специального регулируемого силового трансформатора, от нескольких крайних витков индуктора делаются отпайки. Подавая питающее напряжение на различные отпайки, можно менять коэффициент трансформации печного трансформатора и тем самым управлять величиной выделяемой в канале мощности. Корпус печи Обычно корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны и кожуха индукционной единицы. Кожух ванны у печей малой емкости, а у барабанных печей также и значительной мощности, может быть выполнен достаточно прочным и жестким, что позволяет отказаться от каркаса. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклоненном положении. Каркас изготовляется из стальных фасонных балок. Цапфы оси наклона опираются на подшипники, смонтированные на опорах, установленных на фундаменте. Кожух ванны изготовляется из листовой стали толщиной 6 – 15 мм и снабжается ребрами жесткости. Кожух индукционной единицы служит для соединения подового камня и печного трансформатора печи в единый конструктивный элемент. Двухкамерные печи не имеют отдельного кожуха индукционной единицы, он составляет у них одно целое с кожухом ванны. Кожух индукционной единицы охватывает индуктор, поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи он делается составным из двух половин с изолирующей прокладкой между ними. Стяжка производится болтами, снабженными изолирующими втулками и шайбами. Таким же образом кожух индукционной единицы крепится к кожуху ванны. Кожухи индукционных единиц могут быть литыми или сварными, часто имеют ребра жесткости. В качестве материала для кожухов предпочтительнее использовать немагнитные сплавы. Двухкамерные печи имеют один общий кожух ванны и индукционной единицы. Вентиляционная установка В печах небольшой емкости, не имеющих водяного охлаждения, вентиляционная установка служит для отвода тепла от индуктора и поверхности проема подового камня, нагреваемой за счет теплопроводности от расплавленного металла в близко расположенных каналах. Применение водоохлаждаемого индуктора не освобождает от необходимости вентилировать проем подового камня во избежание перегрева его поверхности. Хотя современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но и водяное охлаждение кожухов и проемов подового камня (в проем вставляется водоохлаждаемый кессон), вентиляционная установка является обязательным элементом оборудования канальной печи. Вентиляторы с приводными двигателями часто устанавливаются на каркасе печи. При этом вентилятор соединяется с коробом, распределяющим 184 воздух по вентилируемым проемам, коротким жестким воздуховодом. Масса вентиляционной установки может быть значительной, что приводит к существенному увеличению нагрузки на механизм наклона печи. Поэтому применяется и другая компоновка, при которой вентиляторы устанавливаются рядом с печью и соединяются с нею гибкими рукавами, обеспечивающими возможность наклона. Вместо гибких рукавов может использоваться воздуховод, состоящий их двух жестких участков, сочленяющихся с помощью поворотного стыка на продолжении оси наклона, что также позволяет осуществлять опрокидывание печи. При такой компоновке уменьшается нагрузка на механизм наклона, но усложняется конструкция воздуховодов и загромождается пространство вокруг печи. Печи со съемными индукционными единицами оборудуются индивидуальными вентиляторами для охлаждения каждой единицы. Выход из строя вентилятора может привести к аварии печи. Поэтому вентиляционная установка должна иметь резервный вентилятор, готовый к немедленному включению и отделенный от воздуховода задвижкой. Исключение составляют печи с индивидуальными вентиляторами на индукционных единицах. Индивидуальные вентиляторы имеют небольшие габариты и массу и в случае выхода из строя могут быть очень быстро заменены, поэтому устанавливать резервные вентиляторы на печь не требуется. Печи со съемными индукционными единицами оборудуются индивидуальными вентиляторами для охлаждения каждой единицы. Механизм наклона Канальные печи малой емкости (до 150-200 кг) снабжаются обычно механизмом наклона с ручным приводом, ось наклона проходит вблизи центра тяжести печи. Крупные печи оборудуются механизмами наклона с гидравлическим приводом. Ось наклона располагается у сливного носка. Наклон барабанных печей осуществляется путем поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. При вертикальном положении печи леточное отверстие находится выше уровня жидкого металла, при повороте печи на катках оно оказывается под зеркалом ванны. Положение летки относительно ковша в процессе слива металла не изменяется, поскольку летка располагается в центре опорного диска, на оси поворота. Механизм наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи. |