Jak funguje indukční pec pro tavení kovu?
Indukční tavící kelímková pec je válcový elektromagnetický systém s víceotáčkovým induktorem. Protože se vsázka 2 ohřívá na teplotu přesahující bod tání, je povinným prvkem konstrukce pece kelímek – nádoba, do které
roztavená vsázka je umístěna. Podle elektrických vlastností materiálu kelímku se rozlišují indukční pece s nevodivými a vodivými kelímky.
Do první skupiny patří pece s dielektrickým keramickým kelímkem 3, určeným pro tavení kovů. V takových pecích se vsázka (vsázka) ohřívá proudem v ní indukovaným a kelímek je ekvivalentní vzduchové mezeře.
Do druhé skupiny patří pece s ocelovým, grafitovým nebo grafitovo-šamotovým kelímkem 4, který má větší nebo menší elektrickou vodivost. Pokud je tloušťka stěny kelímku větší než dvojnásobek hloubky průniku proudu do materiálu kelímku, pak můžeme předpokládat, že indukovaný proud je soustředěn ve stěně kelímku,
zátěž se zahřívá pouze přenosem tepla a nemusí mít elektrickou vodivost. Při menší tloušťce stěny kelímku proniká elektromagnetické pole zátěží a energie se uvolňuje jak ve stěně kelímku, tak v zátěži samotné, pokud je elektricky vodivá. Pece s vodivým kelímkem mají tepelnou izolaci 5.
Na základě charakteru pracovního prostředí lze indukční kelímkové pece rozdělit na otevřené, pracující v atmosféře a vakuové. Konstrukce vakuových pecí umožňují jak tavení, tak odlévání kovu ve vakuu, díky čemuž je obsah plynů rozpuštěných v kovu velmi nízký.
Induktor a výstelka, jejíž hlavní částí je kelímek, jsou vyztuženy v tělese pece. Konstrukční díly pouzdra jsou umístěny vně induktoru v malé vzdálenosti od něj, tedy v oblasti, kterou proniká magnetický tok induktoru na dráze jeho zpětného obvodu. Proto se v kovových částech krytu mohou vyskytovat vířivé proudy, které způsobují zahřívání.
Pro snížení ztrát v tělese malokapacitních pecí jsou hlavní části tělesa vyrobeny z nevodivých materiálů. Je také možné odstranit kovové součásti pouzdra do větší vzdálenosti od induktoru, do oblasti slabšího pole.
Takové konstrukční řešení však vede k prudkému zvětšení rozměrů pece a je tedy přijatelné pouze pro pece nejmenšího výkonu. U pecí s velkou kapacitou je nutné chránit jednotky nosné konstrukce před vnějším polem induktoru.
K ochraně se používá magnetický obvod ve formě svislých pouzder z transformátorové oceli umístěných kolem induktoru, nebo elektromagnetické stínění mezi induktorem a pouzdrem ve formě souvislého pouzdra z plechového materiálu s nízkým odporem; ztráty v takové obrazovce jsou malé. . Indukční kelímkové pece se tedy v souladu se způsobem snižování ztrát v tělese dělí do tří tříd: a) nestíněné; b) s magnetickým jádrem; c) s elektromagnetickým stíněním.
Rozsah kapacit indukčních kelímkových pecí je velmi široký. Jako příklad pece s minimální kapacitou (0,1 kg) můžeme uvést domácí instalaci pro odlévání zubních protéz z nerezové oceli a maximální (120 tun) je pec od firmy Juncker (Německo), určená pro odlévání velkých lodní šrouby z bronzu.
Velké indukční pece pracují při 50 Hz; s klesající kapacitou pece se musí frekvence proudu zvyšovat, aby byl zachován poměr mezi hloubkou průniku proudu a průměrem zátěže, čímž je zajištěna vysoká účinnost induktoru.
Podle frekvence napájecího proudu lze indukční kelímkové pece klasifikovat takto:
a) vysokofrekvenční napájené elektronkovými generátory;
b) pracující na frekvenci 500-10000 Hz, napájené ventilovými nebo strojními frekvenčními měniči;
c) pracující při frekvencích 150 a 250 Hz, napájené statickými násobiči frekvence;
d) pracující na frekvenci 50 Hz, napájené ze sítě a vybavené balunovými zařízeními se značným výkonem.
Indukční kelímkové pece jako tavicí zařízení mají velké výhody, z nichž nejdůležitější jsou možnost získat velmi čisté kovy a slitiny přesně specifikovaného složení, stabilita vlastností výsledného kovu, nízký odpad kovu a legovacích prvků, vysoká produktivita , možnost plné automatizace, dobré pracovní podmínky pro obsluhující personál, nízký stupeň znečištění životního prostředí.
Nevýhodou indukčních kelímkových pecí je vysoká cena elektrického zařízení, zejména při frekvencích nad 50 Hz, a nízká účinnost při tavení materiálů s nízkým odporem.
Kombinace těchto vlastností určuje rozsah použití indukčních kelímkových pecí: tavení legovaných ocelí a
syntetická litina, neželezné těžké a lehké slitiny, vzácné a ušlechtilé kovy. Protože rozsah použití těchto pecí není omezen technickými, ale ekonomickými faktory, s rostoucí výrobou elektřiny se neustále rozšiřuje a zachycuje stále levnější kovy a slitiny.
Hlavním trendem ve vývoji indukčních kelímkových pecí je růst jak jednotkové kapacity, tak celkové kapacity pecního parku, spojený především s potřebou velkého množství kvalitního kovu. S nárůstem kapacity se navíc zvyšuje účinnost pece a snižují se měrné náklady na její výrobu a provoz.
Vznikají také zásadně nové typy pecí, např. horizontální průběžné pece, ale i indukční plazmové pece. Posledně jmenované kombinují dva typy ohřevu, přičemž zajišťují intenzivní promíchávání taveniny, jako v každé indukční peci, a vysokou teplotu a reaktivitu strusky, jako v jakékoli obloukové nebo plazmové peci.
Hlavními konstrukčními prvky otevřené nestíněné kelímkové pece jsou vyzdívka, induktor 5, pouzdro 3, kryt /, kontaktní zařízení 7, naklápěcí mechanismus 9.
Vyzdívka pece obsahuje kelímek 4, nístěj 6 a keramiku 2 odpichového otvoru, jejichž spojení s horní hranou kelímku je provedeno povlakem 8.
Na kelímek jsou kladeny vysoké nároky: musí odolat vysokému teplotnímu namáhání (teplotní gradient ve stěně kelímku dosahuje 200 K/cm), dále hydrostatickému tlaku sloupce taveniny a mechanickému zatížení, které vzniká při zatěžování a usazování. poplatek. Kromě toho musí být kelímek chemicky odolný vůči roztavenému kovu a strusce a při provozní teplotě elektricky nevodivý. Trvanlivost kelímku určuje dobu provozu pece, tj. celkovou dobu tavení mezi výměnami vyzdívky.
Existuje velké množství receptur vyzdívky pro indukční kelímkové pece [2, 3, 27, 38, 40, 44]. Volba složení a distribuce velikosti částic výstelkových materiálů je určena vlastnostmi kovu nebo slitiny, která se taví.
Vyzdívka pecí pro tavení železných kovů může být kyselá (na bázi oxidu křemičitého SiO2), zásaditá (tavený magnezit MgO) nebo neutrální (na bázi oxidu hlinitého A12OS). Při tavení hliníku a jeho slitin se používá vyzdívka ze žárobetonu na bázi jemně mletého periklasu se šamotovým plnivem. Pece na tavení mědi používají vyzdívku skládající se z jemně mletého korundu a šamotu s vysokým obsahem oxidu hlinitého. Jako pojiva se používají materiály, které zajišťují spékání suché hmoty obkladu při zahřívání (borax, kyselina boritá apod.), nebo materiály, které tmelí navlhčenou hmotu obkladu (tekuté sklo, jíl apod.).
Kelímky se obvykle vyrábějí plněním v peci, jejíž technologie byla důkladně vyvinuta [27, 40], mnohem méně často formováním mimo pec.
Stěna kelímku není při tavení slinuta na plnou tloušťku, ale má tři zóny: hustou slinutou zónu se struskovým vnitřním povrchem, méně hustou přechodovou zónu a vnější nárazníkovou zónu, která si zachovává volnost, která slouží jako tepelná izolace, kompenzuje pro tepelnou roztažnost výstelky a tlumí rázy a otřesy při zatížení a usazování náboje a také vibrace přenášené z induktoru.
Vodivé kelímky nejsou vyzdívky pecí.
Používají se pro tavení materiálů, které nereagují s materiálem kelímku (např. hořčík lze přetavit na ocel
Vodivé kelímky mohou roztavit materiály s velmi vysokým měrným odporem. Při tavení materiálu s nízkým odporem v grafitovém kelímku je elektrická účinnost induktoru vyšší než při použití nevodivého kelímku. Takový systém lze považovat za dvouvrstvé médium.
Ocelové kelímky jsou svařované a jejich výroba není náročná; grafitové a grafitové šamotové kelímky vyrábí specializované továrny na elektrody.
Mezi vodivým kelímkem a induktorem je umístěna tepelně izolační vrstva vycpávkového obložení nebo zásypu, protože vodivý kelímek se během provozu zahřívá na teplotu taveniny.
Nístěj je spodní deska upevněná v tělese pece, na ní je instalován induktor a kelímek, pro který je kruhové vybrání. Dno malokapacitních pecí je tvořeno tvarovanými šamotovými tvárnicemi nebo sklolaminátovými deskami ve více vrstvách, velké pece jsou vyrobeny ze standardních šamotových cihel nebo litých ze žáruvzdorného betonu.
Induktor je vyroben z profilované vodou chlazené měděné trubky obdélníkového průřezu. Tloušťka stěny trubky se volí v souladu s frekvencí proudu. Při frekvenci 50 Hz se často používá nestejná trubice, jejíž jedna ze stěn je zesílená na 10-13 mm. Zesílená stěna se nachází na straně kelímku. Konstrukce induktoru musí mít vysokou mechanickou tuhost a pevnost, protože induktor pohlcuje velké síly, zejména při naklápění pece. Existují dva hlavní konstrukční typy induktorů pro kelímkové pece: spojovací typ a s upevněním závitů kolíky.
Vazební tlumivky se používají hlavně na velkých pecích. U takových induktorů jsou závity těsně vedle sebe a jsou stlačeny v axiálním směru mezi horní a spodní spojovací desku. Samostatné závity nejsou upevněny; požadovaná mezera mezi nimi je zajištěna mezizávitovou izolací. V radiálním směru jsou cívky upevněny zvenčí vertikálními izolačními tyčemi; Pro tento účel mohou být použity magnetické svazky jader oddělené od induktoru těsněním.
U induktorů s upevněním závitů kolíky jsou tyto připájeny tvrdou pájkou k závitům induktoru zvenčí a vyčnívají radiálně, umístěné pod sebou na tvořící přímce válcové plochy induktoru. Úhlová vzdálenost mezi čepy jedné otáčky je obvykle 120 nebo 90°; V souladu s tím jsou závity induktoru upevněny mosaznými maticemi ke třem nebo čtyřem silným izolačním sloupkům, které jsou zase připevněny k horní a spodní prstencové desce a tvoří pevnou konstrukci. Závity induktorů tohoto typu nemusí mít izolaci, protože vzduchová mezera mezi nimi je upevněna upevňovacím prvkem.
Voda ochlazující induktor musí odvádět nejen teplo v něm vzniklé v důsledku elektrických ztrát, ale také tepelné ztráty bočním povrchem kelímku. Chladicí systém induktoru musí být často navržen ve formě několika paralelních větví, aby byl zajištěn požadovaný průtok chladicí vody.
Na velkých pecích jsou nad induktorem a někdy i pod ním otevřené vodou chlazené spirály, které nemají elektrický výkon a slouží pouze k chlazení horní a spodní části stěn kelímku.
Těleso pece, které spojuje všechny její součásti do jednoho celku, se skládá z pevné a sklopné části. Pevná část, nazývaná lože nebo nosný rám, drží ložiska sklápěcího mechanismu pece. Výklopná část korby může mít různé konstrukční řešení: ve formě rámu (otočný rám) nebo ve formě pláště. Otevřené nestíněné pece o kapacitě do 0,5 tuny mají rámy z dřevěných nebo azbestocementových nosníků s většími kapacitami, rámy pecí jsou vyrobeny z nemagnetických kovů – slitin hliníku, bronzu nebo nemagnetické oceli a pro snížení elektro; ztráty jsou části rámu vzájemně spojeny pomocí izolačních těsnění, aby se zabránilo vytvoření uzavřeného závitu obklopujícího induktor.
Víčko. Pro snížení tepelných ztrát sáláním jsou velkokapacitní a středokapacitní pece vybaveny kryty z nemagnetické oceli, vyložené žáruvzdornou a tepelnou izolací. Při malém víku se víko otevírá pomocí ručního pohonu a při značné hmotnosti je víko vybaveno mechanismem s elektrickým nebo hydraulickým pohonem.
Malokapacitní pece obvykle nemají víko, protože většinu provozního cyklu takových pecí tvoří období tavení, během kterého se v horní části kelímku nachází neroztavená vsázka, která absorbuje záření z tekutého kovu. Na krátkou dobu, kdy je kov zcela roztaven, je jeho povrch pokryt struskou, která má v indukční peci poměrně nízkou teplotu a plní roli tepelné izolace.
Kontaktní zařízení. Připojení induktoru k přívodu proudu, které neruší naklápění pece, je provedeno ve formě odnímatelného kontaktního zařízení nebo ohebného kabelu.
U rozebíratelného spojení jsou pohyblivé kontakty namontovány ve spodní části tělesa pece a pevné kontakty jsou instalovány pod pecí. Pohyblivé kontakty jsou řezací nože nebo přítlačné prsty a pevné kontakty jsou čelisti nebo pružinové destičky. Kontaktní zařízení s rozebíratelným připojením funguje spolehlivě pouze tehdy, když jsou pohyblivé i pevné kontakty chlazeny vodou.
V moderních pecích se častěji používá připojení přívodu proudu k induktoru flexibilním vodou chlazeným kabelem. Toto spojení je spolehlivější. Jeho nevýhodou je zvýšení ztrát v důsledku toho, že kabel je doplňkovým prvkem obvodu.
Naklápěcí mechanismus. Osa náklonu pece je umístěna v blízkosti odtokové vany (odpichu), aby proud roztaveného kovu během procesu odlévání neměnil svůj směr. To eliminuje potřebu manévrování s lopatou.
V míchačkách (navíječkách) je kelímek vždy naplněn kovem a jeho malá část se při lití vypustí. V tomto ohledu oblouk
popsaný odtokovou vložkou je malý a osa naklánění míchačky je umístěna blízko jeho těžiště, což snižuje úsilí potřebné k naklonění.
Používají se různé konstrukce sklápěcích mechanismů. Kamna se často naklánějí pomocí lanka za náušnici připevněnou ke spodní části rámu. Při kapacitě pece do 100 kg lze takový mechanismus aktivovat ručním navijákem a při větší kapacitě se používá elektrický naviják nebo kladkostroj. To je obzvláště výhodné, protože jeden kladkostroj může obsluhovat několik pecí a může být použit nejen pro jejich naklánění, ale také pro dodávání vsázkových materiálů do nich.
U velkokapacitních pecí se rozšířil hydraulický naklápěcí mechanismus. mechanismus se skládá z jednotky tlaku oleje a dvou hydraulických válců 2 (jeden je vidět na obrázku), namontovaných na pantech. Plunžry, zavěšené na rámu pece, se mohou pod tlakem oleje vysunout a naklonit pec.
Používají se také sklápěcí mechanismy pece s ozubeným hřebenem, lucernovým sektorem apod., vybavené elektropohonem.
- Hlavní
- /
- Indukční pece. Design a vlastnosti
PRINCIP FUNKCE INDUKČNÍ TROUBY. PRINCIP INDUKČNÍHO OHŘEVU
Principem indukčního ohřevu je přeměna energie elektromagnetického pole absorbovaného elektricky vodivým ohřívaným předmětem na tepelnou energii.
V instalacích indukčního ohřevu je elektromagnetické pole vytvářeno induktorem, což je víceotáčková válcová cívka (solenoid). Induktorem prochází střídavý elektrický proud, jehož výsledkem je časově proměnlivé střídavé magnetické pole kolem induktoru. Toto je první transformace energie elektromagnetického pole, popsaná první Maxwellovou rovnicí.
Ohřívaný předmět je umístěn uvnitř nebo vedle induktoru. Měnící se (v čase) tok vektoru magnetické indukce vytvářený induktorem proniká ohřívaným předmětem a indukuje elektrické pole. Elektrické čáry tohoto pole jsou umístěny v rovině kolmé ke směru magnetického toku a jsou uzavřené, to znamená, že elektrické pole v ohřívaném předmětu je vírového charakteru. Vlivem elektrického pole podle Ohmova zákona vznikají vodivé proudy (vířivé proudy). Jedná se o druhou transformaci energie elektromagnetického pole, popsanou Maxwellovou druhou rovnicí.
Ve vytápěném objektu se energie indukovaného střídavého elektrického pole nevratně přeměňuje na tepelnou energii. Takový tepelný rozptyl energie, který má za následek zahřívání předmětu, je dán existencí vodivých proudů (vířivých proudů). Jde o třetí přeměnu energie elektromagnetického pole a energetický vztah této přeměny popisuje Lenz-Jouleův zákon.
Popsané transformace energie elektromagnetického pole umožňují:
1) přenést elektrickou energii induktoru na vyhřívaný předmět bez použití kontaktů (na rozdíl od odporových pecí)
2) uvolňovat teplo přímo ve vytápěném objektu (tzv. „pec s vnitřním zdrojem vytápění“ dle terminologie prof. N. V. Okorokova), v důsledku čehož je využití tepelné energie nejdokonalejší a vytápění se výrazně zvyšuje rychlost (ve srovnání s tzv. „pecemi s externím zdrojem vytápění“).
Velikost intenzity elektrického pole ve vyhřívaném předmětu je ovlivněna dvěma faktory: velikostí magnetického toku, tj. počtem magnetických siločar, které pronikají předmětem (nebo spojených s vyhřívaným předmětem), a frekvencí napájecí proud, tj. frekvence změn (v čase) magnetického toku vázaného na vyhřívaný předmět.
To umožňuje vytvořit dva typy instalací indukčního ohřevu, které se liší jak designem, tak provozními vlastnostmi: indukční instalace s jádrem a bez jádra.
Indukční ohřívací zařízení se podle technologického určení dělí na tavicí pece pro tavení kovů a ohřívací zařízení pro tepelné zpracování (kalení, temperování), pro průběžný ohřev obrobků před plastickou deformací (kování, lisování), pro svařování, pájení a navařování. pro produkty chemicko-tepelné úpravy atd.
Podle četnosti změn proudu dodávajícího instalaci indukčního ohřevu se rozlišují:
1) průmyslové frekvenční instalace (50 Hz), napájené ze sítě přímo nebo přes transformátory snižující výkon;
2) vysokofrekvenční instalace (500-10000 Hz), napájené elektrickými stroji nebo polovodičovými frekvenčními měniči;
3) vysokofrekvenční instalace (66 000-440 000 Hz a více), napájené elektronkovými elektronickými generátory.
Jádro indukční topné jednotky
V tavicí peci (obr. 1) je na uzavřeném jádru z elektrooceli (tloušťka plechu 0,5 mm) namontován válcový víceotáčkový induktor z profilované měděné trubky. Kolem induktoru je umístěna žáruvzdorná keramická vyzdívka s úzkým prstencovým kanálem (horizontálním nebo vertikálním), kde se nachází tekutý kov. Nezbytnou podmínkou provozu je uzavřený elektricky vodivý kroužek. Proto je nemožné v takové peci roztavit jednotlivé kusy pevného kovu. Pro spuštění pece musíte do kanálu nalít část tekutého kovu z jiné pece nebo ponechat část tekutého kovu z předchozí taveniny (zbytková kapacita pece).
Obr. 1. Schéma indukční kanálové pece: 1 – indikátor; 2 – kov; 3 – kanál; 4 – magnetický obvod; F je hlavní magnetický tok; F1r a F2r — magnetické svodové toky; U1 a já1 — napětí a proud v obvodu induktoru; já2 – vodivost proudu v kovu
V ocelovém magnetickém jádru indukční kanálové pece je uzavřen velký pracovní magnetický tok a pouze malá část celkového magnetického toku vytvořeného induktorem je uzavřena vzduchem ve formě únikového toku. Proto takové pece úspěšně pracují při průmyslové frekvenci (50 Hz).
V současné době je ve VNIIETO vyvinuto velké množství typů a provedení takových pecí (jednofázové a vícefázové s jedním a několika kanály, s vertikálním a horizontálním uzavřeným kanálem různých tvarů). Tyto pece se používají k tavení neželezných kovů a slitin s relativně nízkým bodem tavení a také k výrobě vysoce kvalitní litiny. Při tavení litiny se pec používá buď jako kotel (směšovač) nebo jako tavicí agregát. Konstrukce a technické charakteristiky moderních kanálových indukčních pecí jsou uvedeny v odborné literatuře.
Indukční topné jednotky bez jádra
V tavicí peci (obr. 2) je roztavený kov v keramickém kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Induktor je vyroben z profilované měděné trubky, kterou prochází chladicí voda. Více o konstrukci induktoru se můžete dozvědět zde.
Absence ocelového jádra vede k prudkému zvýšení magnetického svodového toku; počet magnetických siločar propojených s kovem v kelímku bude extrémně malý. Tato okolnost vyžaduje odpovídající zvýšení frekvence změny (v čase) elektromagnetického pole. Pro efektivní provoz indukčních kelímkových pecí je proto nutné dodávat do nich proudy zvýšené a v některých případech i vysoké frekvence z vhodných proudových měničů. Takové pece mají velmi nízký přirozený účiník (cos φ=0,03-0,10). Proto je nutné použít kondenzátory pro kompenzaci jalového (indukčního) výkonu.
V současné době je ve VNIIETO vyvinuto několik typů indukčních kelímkových pecí ve formě odpovídajících velikostních rozsahů (podle kapacity) vysoké, vysoké a průmyslové frekvence pro tavení oceli (typ IST).
Rýže. 2. Schéma konstrukce indukční kelímkové pece: 1 – induktor; 2 – kov; 3 – kelímek (šipky ukazují trajektorii oběhu tekutého kovu v důsledku elektrodynamických jevů)
Výhody kelímkových pecí jsou následující: teplo generované přímo v kovu, vysoká stejnoměrnost kovu v chemickém složení a teplotě, absence zdrojů kontaminace kovu (jiných než vyzdívka kelímku), snadné ovládání a regulace tavícího procesu , hygienické pracovní podmínky. Kromě toho se indukční kelímkové pece vyznačují: vyšší produktivitou díky vysokým specifickým (na jednotku kapacity) topným výkonům; schopnost roztavit pevnou vsázku bez ponechání kovu z předchozího tavení (na rozdíl od kanálových pecí); nízká hmotnost vyzdívky ve srovnání s hmotností kovu, která snižuje akumulaci tepelné energie ve vyzdívky kelímku, snižuje tepelnou setrvačnost pece a činí tavicí pece tohoto typu mimořádně vhodné pro periodickou práci s přestávkami mezi tavbami, např. zejména pro tvarové slévárny strojírenských závodů; kompaktnost pece, která umožňuje jednoduše izolovat pracovní prostor od okolí a provádět tavení ve vakuu nebo v plynném prostředí daného složení. Proto jsou vakuové indukční kelímkové pece (typ ISV) široce používány v metalurgii.
Spolu s výhodami mají indukční kelímkové pece následující nevýhody: přítomnost relativně studených strusek (teplota strusky je nižší než teplota kovu), což ztěžuje provádění rafinačních procesů při tavení vysoce kvalitních ocelí ; složité a drahé elektrické zařízení; nízký odpor vyzdívky při náhlých teplotních výkyvech v důsledku malé tepelné setrvačnosti vyzdívky kelímku a erozivního účinku tekutého kovu při elektrodynamických jevech. Proto se takové pece používají pro přetavování legovaného odpadu, aby se snížilo plýtvání prvky.
Reference:
1. Egorov A.V., Morzhin A.F. Elektrické pece (pro výrobu oceli). M.: „Hutnictví“, 1975, 352 s.
