Выбор частоты тока для питания индукционных тигельных печей

Использование тока промышленной частоты для питания ин­дукционных тигельных плавильных печей представляется на пер­вый взгляд наиболее рациональным с точки зрения экономии средств, так как не требует затрат, связанных с приобретением преобразователя частоты и с потерями энергии при его работе. Од­нако при решении электротехнических задач имеются ограниче­ния по использованию тока промышленной частоты для индукци­онных тигельных печей. Кроме того, использование токов повы­шенной частоты позволяет улучшить показатели плавки и, в част­ности, увеличить ее производительность, уменьшить угар металла.

Для уяснения связи свойств садки тигля и необходимой часто­ты питающего тока воспользуемся выводами теории индукцион­ного нагрева и четырьмя формулами, которые будут приведены без вывода.

В течение продолжительного периода плавки (от расплавления шихты и до выпуска металла) садка тигля представляет собой сплошное металлическое тело, близкое по форме к цилиндру. В теории индукционного нагрева показано, что толщина поверх­ностного слоя Д_э, в котором циркулируют вихревые токи, зави­сит от удельного электрического сопротивления металла р, его относительной магнитной проницаемости |ы_г и частоты тока/ Эта величина, называемая глубиной проникновения тока, определя­ется по формуле

А, =503^, _(Ш)

где размерности величин А_э — м; р — Омм;/— Гц. Из формулы следует, что с увеличением частоты тока глубина проникновения уменьшается. Расплавы с низким электрическим сопротивлением (на основе меди и алюминия) характеризуются меньшей глуби­ной проникновения тока, чем чугуны и стали. Важно отметить, что при нагреве магнитных сталей и чугунов глубина проникно­вения тока в них увеличивается примерно в 10 раз при переходе через точку Кюри (730...760°С в зависимости от марки сплава). Это объясняется тем, что относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков |ы_г при этом уменьшается от 100 до 1.

Расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что для получения удовлетворительного КПД индукционного нагрева ди­аметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проник­новения не менее чем в 4—5 раз, т.е.

d_n>( 4...5)Д_Э. (12.2)

Принято считать, что в этом случае система индуктор—садка работает в области ярко выраженного поверхностного эффекта, т. е. в нагреваемом теле существуют поверхностный токонесущий слой и сердцевина, величиной тока в которой можно пренебречь.

Цилиндр меньшего диаметра, помещенный в индуктор, ока­зывается «прозрачным» для электромагнитных волн, т.е., прохо­дя через него, они не вызывают существенного нагрева. Это явле­ние используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Поэтому сердечники выполняются не сплошными, а сборными из плас­тин, толщина которых много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируются одна от другой лаком или путем их фосфатации.

Пользуясь соотношениями (12.1) и (12.2), определим мини­мальный диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе промышленной частоты — 50 Гц. Для этого в формулу (12.1) подставим значения электромагнитных характеристик жидкого чу­гуна* Рж.ч = 1Д-И)"⁶ Омм; относительную магнитную проницае­мость |ы_г = 1; частоту тока/= 50 Гц. При этом глубина проникно­вения Д_э оказывается равной 0,081 м, или 81 мм.

Следовательно, минимальный диаметр тигля индукционной печи промышленной частоты согласно (12.2) должен быть: d_n > > (4... 5) • 81 = 324...405 мм. Выполнение этого условия обеспечива­ет возможность перегрева жидкого металла в печи с минималь­ным приемлемым КПД.

На практике индукционные печи промышленной частоты име­ют диаметр тигля не менее 500 мм и емкость не менее 1 т.

Однако пуск такой печи на обычной твердой завалке практи­чески невозможен, так как размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве, значительно меньше 324...400 мм. Нагрев реальной шихты на токе промышленной частоты возмо­жен (и весьма эффективен, как будет показано далее) только до температуры точки Кюри. Вследствие этого плавку в печах про­мышленной частоты ведут с использованием переходной ванны (плавка с «болотом»). Для этого при выпуске предыдущей плавки в тигле оставляют так называемое «болото» — не менее 1/3 объема жидкого металла, и при проведении следующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая при загрузке в печь оказывается погруженной в жидкий металл.

Технология плавки чугуна в печах промышленной частоты с «болотом» требует обязательного удаления с поверхности кусков шихты влаги, масел и эмульсии во избежание выбросов жидкого металла при загрузке. Для этого шихту подогревают газом до тем­ператур порядка 500 °С в специальных нагревательных бадьях.

Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого ме­талла в цехе проводится с использованием пусковых болванок. Они представляют собой слитки, диаметр которых близок к диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева.

В настоящее время существуют чугуноплавильные индукцион­ные печи промышленной частоты емкостью от 1 до 60 т, имею­щие в российских каталогах буквенный индекс ИЧТ (индукцион­ная чугуноплавильная тигельная печь). Числа, указанные после данного индекса, означают емкость тигля в тоннах и через косую черту мощность печи в мегаваттах, например ИЧТ-31/7,1.

Если по условиям производства плавку чугуна в индукционных тигельных печах необходимо вести на твердой завалке без пере­ходной ванны, частота тока для этих печей должна соответство­вать размерам кусков используемой шихты. При этом считается, что размер каждого куска должен удовлетворять условию уравне­ния (12.2).

Компонентом шихты, обязательным для переплава в литейном цехе, является литник и, в частности, его стояк. Диаметр стояка в условиях автомобильного литья можно принять ориентировочно равным 40 мм. Тогда глубина проникновения тока, согласно усло­вию (12.2), должна составлять величину порядка 10 мм, т.е. 0,01 м.

Решая уравнение (12.1) относительно/и подставив в него А_э = = 0,01 м, получим, что частота тока должна быть порядка 2400 Гц. Именно на такой частоте работают печи емкостью 60...400 кг для плавки стали и чугуна.

Расчеты, проведенные Г.И.Бабатом, показывают, что при по­стоянной величине тока в индукторе наибольшая удельная мощ­ность (т. е. мощность, отнесенная к единице объема металла) вы­деляется в кусках, имеющих форму цилиндра, диаметр которого равен 3,5А_Э. Для кусков шихты в форме пластин максимальная удельная мощность соответствует условию: толщина пластин 5 = 2,5А_Э, для шара его диаметр d = 4,8А_Э.

Поэтому оптимальной шихтой для плавки на частоте 2400 Гц будут цилиндрические куски диаметром 35 мм, пластины толщи­ной 25 мм или шаровидные куски диаметром 50 мм.

Печи емкостью 1 т чугуна или стали работают на частоте 1000 Гц. Снижение частоты по сравнению с расчетной оказывается воз­можным благодаря тому, что в тиглях такой емкости куски шихты нагреваются не только каждый в отдельности под действием ин­дуцированных в них токов, но и в результате переходных контак­тов между кусками. Наличие этих контактов приводит к образова­нию больших по сечению замкнутых электрических контуров, по которым циркулируют индуктивные токи.

Легированные чугуны для отливок выплавляются в сравнительно небольших количествах, поэтому для их плавки используют сред- нечастотные печи серии ИСТ (индукционные сталеплавильные тигельные).