1. Проектно-пояснительная часть

1.1. Обзор литературы

1.1.1. Историческая справка

Началом истории развития индукционного нагрева принято считать 1831 г., когда английским ученым Майклом Фарадеем был открыт закон элек­тромагнитной индукции, а Ленц и Джоуль установили, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла.

Полноценное промышленное использование электрической энергии для плавки и на­грева металлов и сплавов началось лишь спустя много лет, так как для этого необходимо было соответствующее развитие электротехники, а также энерге­тического хозяйства.

Выдающуюся роль в развитии этих областей науки сыграли русские уче­ные и практики: П.Н.Яблочков (1876 г.), И.Ф.Усагин (1882 г.) и М.О.Доливо-Добровольский исследованиями в области трансформаторов, а также работы М.О.Доливо-Добровольского, впервые осуществившего передачу электроэнер­гии на расстояние [3].

В 1900-1901 гг. появились первые промышленные сталеплавильные печи: дуговая печь прямого нагрева Эру во Франции, дуговая печь косвенного нагрева Стассано в Италии и индукционная печь со стальным сердечником и открытым каналом Къеллина в Швеции. После этого промышленная электротермия и электропечестроение получили за рубежом широкое и разнообразное развитие.

Первые попытки плавки металлов в индукционных тигельных печах токами высокой частоты относятся к началу XX в [3].

Русский изобретатель А.Н. Лодыгин за 1905-1907 гг. предложил ряд конструкций индукционных нагревателей и в 1908 г. опубликовал в журнале «Электричество» статью о принципе работы и конструкции индукционной печи без сердечника.

За рубежом в этот же период были взяты патенты на печи высокой частоты (французский патент общества Шнайдер - Крезо, шведский патент О. Цандера, английский патент Гердена и ряд других). Однако в то время печи без сердечника не могли получить практического значе­ния, так как не существовало промышленных источников тока высокой частоты.

Первые опыты по плавке токами высокой частоты следует отнести к 1912-1913 гг., когда акционерное общество «Лоренц» построило печь без сердечника с питанием от дугового генератора, создающего высокочастотные колебания; сам же колебательный контур представлял собой систему индукционных катушек и конденсаторов. Плавку осуществляли в тигле, помещенном внутри печной катушки, которая была связана с колебательным контуром. В печи плавили цинк, который загружали в количестве всего лишь 20 г. Плавка продолжалась около 2 минут.

Опыты были прекращены во время первой мировой войны, и лишь спустя два года, т.е. в 1916 г., американец Нортруп предложил свою схему, в которой для получения токов высокой частоты был при­менен искровой разрядник. В период первой мировой войны индукцион­ный нагрев получил практическое применение в электровакуумной промышленности для прогрева деталей радиоламп во время откачки. После окончания первой мировой войны печи без сердечника стали внедрять в промышленность все шире.

Благодаря стремительному развитию радиотехники появились различные генераторы токов высокой частоты - дуговые, искровые, машинные и с электронными лампами. В результате к началу 30-х годов стоимость энергии тока высокой частоты снизилась до 2÷4-кратной стоимости энергии тока промышленной частоты (по данным Г.И. Бабата). Это послужило одним из оснований к широкому внедрению в про­мышленность печей высокой и повышенной частоты.

К 1937 г. установленная мощность этих печей во всем мире возросла до 100000 кВт, причем емкость этих печей, измерявшаяся первоначально килограммами, возросла в 1950 г. до 12 тонн (сталеплавильные заводы Бофорс, Швеция, 1951 г.), а в настоящее время - до нескольких десятков тонн (компания Whiting Corp., США, 1964 г.).

Основными источниками получения высокой или повышенной часто­ты для питания электротермических установок для частот до 10000 пер/сек в настоящее время служат индукторные машинные гене­раторы, а для больших частот - ламповые генераторы.

Следует заметить, что одну из первых конструкций индукторного ге­нератора разработал русский электротехник П.Н. Яблочков, получив­ший на нее «привилегию» в 1877 г. В 1882 г. более совершенную конст­рукцию индукторного генератора предложил Алексей Клименко. Особая заслуга в разработке и постройке оригинальных типов отечественных индукционных генераторов принадлежит проф. В.П. Вологдину, кото­рый за промежуток от 1910 до 1935 гг. создал ряд машин мощностью от 0,5 до 600 кВт и час­тотой от 1000 до 60000 Гц. Следует отметить, что в области разработки и создания современных отечественных индукционных печей без сер­дечника приоритет принадлежит также В.П. Вологдину и его сотруд­никам.

В 1930 г. В.П. Вологдин начал разработку индукционных плавиль­ных печей без сердечника и к началу 1932 г. построил печи, рассчитан­ные на 10 и 20 кг стали. В том же году эти печи и всё электрооборудо­вание к ним (мотор-генераторы, конденсаторы и т.д.) были полностью освоены нашей промышленностью.

Первая отечественная индукционная плавильная печь без сердечни­ка с ламповым генератором была построена в 1937 г. также В.П. Вологдиным [3].

1.1.2. Обзор литературных источников

Учебное пособие [1] включает в себя две части. Часть 1. Теория индукционного нагрева; часть 2. Промышленное применение индукционного нагрева.

В первой части излагается теория индукционного нагрева металлов и высокочастотного нагрева диэлектриков. Здесь рассмотрены основные закономерности процессов и приведены приближенные методы расчета реальных систем для нагрева металлов и диэлектриков. Нашли отражение также вопросы расчета и моделирования индукционных устройств на ЭВМ. Приближенные методы расчета благодаря своей наглядности и доступности нашли широкое применение в практике проектирования индукционных нагревательных установок. Они позволяют также иллюстрировать основные закономерности индукционного нагрева.

Во второй части книги рассматривается промышленное применение индукционного нагрева металлов и высококачественного нагрева диэлектриков, основные вопросы технологии, технико-экономические показатели и вопросы техники безопасности. В этой же части рассмотрены особенности индукционного нагрева с применением частоты 50 Гц, не проявляющиеся на средних и высоких частотах.

Учебное пособие [2] состоит из следующих частей: часть 1. История развития индукционных тигельных печей; часть 2. Индукционные тигельные печи; часть 3. Электрический расчет индукционной тигельной печи; часть 4. Чрезвычайные ситуации.

В учебном пособии представлена классификация электротехнологических и электротермических установок, в частности индукционных тигельных печей. Дан ретроспективный анализ развития электропечестроения. Рассмотрены принцип действия, конструкция и назначение индукционных тигельных печей. Подробно описан инженерный электрический расчет. Методические указания содержат справочный материал, необходимый для проведения электрического расчета индукционной тигельной печи. Приведен поэтапный расчет индукционной тигельной печи в примерах, иллюстрирующих отдельные подразделы инженерного электрического расчета.

Книга [3] состоит из следующих частей: часть 1. Вводная, которая посвящена вопросам типологии и основных промышленных характеристик плавильных печей; часть 2. Канальные индукционные печи; часть 3. Индукционные тигельные печи; часть 4. Вакуумные индукционные печи и вакуумная обработка сплавов.

В книге изложена теория индукционного нагрева применительно к плавке металлов и сплавов. Подробно описаны современные индукционные печи, открытые и вакуумные, всех видов и типов, а также дана методика их расчета.

Помимо этого авторами дана характеристика оборудования печей и порядок их эксплуатации. Приведены технико-экономические данные, характеризующие целесообразность применения тех или иных типов печей в зависимости от природы сплавов и их назначения.

Книга [5] включает следующие части: часть 1. Теория индукционного нагре­ва; часть 2. Индукционные печи тигельного типа; часть 3. Индукционные печи канального типа.

В своей книге автор проводит исследование процессов и методики расчета индук­ционных печей, основываясь на общей теории погло­щения электромагнитных волн в металле, которая опи­сывает явления значительно точнее и нагляднее, чем теория трансформатора, мало приспособленная к иссле­дованию процессов в сплошных металлических телах.

Во второй и третьей частях книги подробно рассмат­риваются конструкции современных индукционных пе­чей, условия работы и особенности конструирования основных узлов печи и методы расчета индукционных печей. Описание установок с ин­дукционными печами (планировка и схемы) и вопро­сы эксплуатации печей изложены в указанной выше книге более лаконично и кратко.

Достоинство настоящей книги заключается в том, что все расчетные формулы во втором издании выражены в международной системе единиц СИ. Исключение составляют только тепловые единицы, которые приводятся во внесистемных единицах-килокалориях и часах. Однако подобное изложение материала является обоснованным, поскольку все тепловые параметры материалов справочники дают в настоящее время во внесистемных единицах-килокалориях и часах.

Книга [6] состоит из следующих разделов: часть 1. Основы механики печных газов; часть 2. Основы теплопередачи; часть 3. Нагрев металла; часть 4. Топливо и его сжигание; часть 5. Материалы и строительные элементы печей; часть 6. Устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов; часть 7. Топливные печи и конвекторы, применяемые в черной металлургии; часть 8. Электрические печи, применяемые в черной металлургии; часть 9. Пуск, эксплуатация и ремонт печей.

В книге изложены основные теоретические положения металлургической теплотехники: механики газов, теории подобия, теплопередачи. Также приведены необходимые сведения о металлургическом топливе и процессах его горения, об огнеупорных материалах. Помимо этого в книге приводятся примеры всех необходимых расчетов для печей различных типов.

Книга [7] состоит из следующих частей: глава 1. Физические основы метода индуктивного нагрева; глава 2. Тепловой расчет режима нагрева; глава 3. Общие основы расчета индукторов для нагрева ферромагнитных объектов; глава 4. Общие основы расчета индукторов для нагрева частично ферромагнитных объектов; глава 5. Расчет индуктора для поверхностного нагрева цилиндрических деталей; глава 6. Конструирование индукторов для поверхностного нагрева; глава 7. Расчет индукторов для закалки плоских и внутренних цилиндрических поверхностей; глава 8. Типовые конструкции индукторов для поверхностного нагрева внешних и внутренних цилиндрических поверхностей и плоских поверхностей; глава 9. Выбор частоты при поверхностной закалке и индукторы для закалки тел сложной формы; глава 10. Индукторы специальных типов; глава 11. Основы расчета индукторов для сквозного нагрева сплошных цилиндрических заготовок; глава 12. Основы расчета индукторов для нагрева заготовок прямоугольного сечения; глава 13. Расчет индукторов для нагревателей периодического действия; глава 14. Расчет индукторов с постоянным шагом витков для нагревателей методического действия; глава 15. Приближенный расчет индукторов с переменным шагом витков для нагревателей методического действия (ускоренный нагрев); глава 16. Расчет индукторов для нагрева полых цилиндров; глава 17. Индукторы для нагрева заготовок и проката.

В книге излагаются физические основы индукционного нагрева и методы расчета индукторов для поверхностного и сквозного нагрева. Расчет индукторов иллюстрирован конкретными примерами. Приводятся также принципы конструирования индукторов и описание наиболее характерных конструкций.

В книге [8] приведены классификация и основные свойства огнеупоров, огнеупорных бетонов и набивных масс, применяемых для футеровки индукционных плавильных (канальных и индукционных) печей и миксеров. Изложены основные принципы выбора огнеупорных материалов, описана технология футеровки индукционных печей пластичными набивными массами, огнеупорными бетонами, сухими спекаемыми массами, штучными огнеупорами. Рассмотрены вопросы техники безопасности и производственной санитарии при выполнении футеровочных работ.

Книга [9] состоит из следующих частей: глава 1. Принцип работы, электрические схемы и конструкции индукционных плавильных печей; глава 2. Огнеупорные материалы и способы изготовления футеровки индукционных печей; глава 3. Плавка алюминиевых сплавов в индукционных печах; глава 4. Плавка меди и медных сплавов в индукционных печах; глава 5. Плавка никеля и его сплавов в индукционных печах; глава 6. Плавка магниевых сплавов в индукционных печах промышленной частоты; глава 7. Плавка цинковых сплавов в индукционных печах; глава 8. Экономика электроплавки цветных металлов и выбор конструкции индукционных печей.

Автором исследовано применение индукционных печей различных конструкций на типичных примерах плавки цветных металлов, приведены технико-экономические показатели плавки в канальных, а также тигельных индукционных печах промышленной и повышенной частоты.

Первая глава книги посвящена принципам работы, а также конструктивным особенностям современных индукционных пе­чей. Принцип работы индукционных тигельных печей изложен на основе современной теории поглощения электромагнитных волн металлом. Подробно рассмотрены электрические схемы различных типов индукционных печей.

Во второй главе описано основное плавильное оборудование и технология изготовления футеровки различных индукционных печей из новых огнеупорных материалов типа жаростойких бетонов, набивных масс фосфатными связками.

Главы с третьей по седьмую посвящены технологии плавки медных, никелевых, цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов в индукционных печах, применяемой на отечественных заводах. Рассмотрены металлургические особенности плавки в каждой группе сплавов в индукционных печах открытого типа и в вакуумных.

В главе восьмой приведена экономическая эффективность работы различных типов оборудования для плавки цветных металлов и сплавов для заготовительного и фасонного литья исходя из определения суммы затрат на производство одной тонны жидкого металла.

В книге [13] изложены основы физики и теории индукционного нагрева, а также методы расчета и конструирования индукционных электропечей и установок. Рассмотрены электромагнитные явления и физические законы, лежащие в основе индукционного метода нагрева. Описаны конструкции и методы расчета индукционных канальных и тигельных плавильных печей, установок для сквозного нагрева и поверхностной закалки. Приводятся сведения о новых областях применения индукционного нагрева и плавки.

В книге [14] приведены классификация, состав и основные свойства огнеупоров, огнеупорных бетонов и набивных масс, применяемых для футеровки индукционных плавильных печей, миксеров и нагревательных установок. Изложены основные принципы выбора огнеупорных материалов, технологии футеровки в зависимости от вида выплавляемого металла и ведения плавки. Рассмотрены физико-химические процессы взаимодействия футеровки с жидким металлом и ее износ при эксплуатации индукционных печей. Даны рекомендации по увеличению срока службы футеровки.

Книга [17] посвящена принципам построения и расчета систем питания и автоматического регулирования электрического режима индукционных установок для нагрева и плавки. Помимо этого в ней описаны созданные в последние годы автоматические регуляторы и новые источники питания на тиристорах. Книга состоит из следующих частей: глава 1. Свойства индукционных установок как нагрузки и объекта регулирования; глава 2. Автоматические регуляторы электрического режима индукционных установок, питающихся от электромашинных генераторов; глава 3. Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева; глава 4. Автоматическое регулирование индукционных установок с тиристорными преобразователями частоты.

Для лучшего уяснения материала работы вначале изложены свойства индукционных установок как эквивалентной нагрузки и объекта регулирования. Особое внимание уделено тиристорным преобразователям частоты, внедрение которых в технику индукционного нагрева началось недавно и сулит значительные технико-экономические выгоды, благодаря лучшим по сравнению с электромашинными генераторами, показателям в отношении надежности и удобства эксплуатации.

Учебное пособие [18] состоит из четырех глав: глава 1. Основы электроснабжения промышленных предприятий с электротермическими, плазменными и лучевыми установками; глава 2. Особенности электротермических, плазменных и лучевых установок как потребители электроэнергии; глава 3. Электрооборудование систем электроснабжения с ЭТУ или ПЛУ; глава 4. Схемы электроснабжения и компоновка оборудования индукционных установок и печей сопротивления.

В первой главе рассмотрены общие вопросы, связанные с особенностями промышленных предприятий как потребителей электроэнергии, а также эффективные способы компенсации реактивной мощности потребителей.

Отдельно исследованы особенности электротермических, плазменных и лучевых установок, как наиболее энергоемких электроприемников. Им посвящена вторая глава учебного пособия.

Третья глава дает подробный анализ используемых в современной энергетике элементов электрооборудования различных систем электроснабжения, а также принципов из действия.

В четвертой главе схемы электроснабжения и компоновка ЭТУ и ПЛУ анализируются авторами с точки зрения рационального планирования размещения спецоборудования, которое используется в металлургии, и их экономного использования.

Учебник [19] состоит из двух частей: часть 1. Электроснабжение электротермических установок; часть 2. Автоматизация электротермических установок.

В данном учебнике изложены основы электроснабжения и автоматизации электротермических установок. Рассмотрены электрические аппараты на напряжение до 1000 и свыше 1000 В. Приведены общие сведения по энергоснабжению промышленных предприятий. Отдельно проводятся элементы теории автоматического регулирования и принципы построения электрических схем управления. Также даны рекомендации по автоматизации режимов печей сопротивления, дуговых, рудотермических и индукционных печей и установок.

Книга [20] состоит из следующих разделов: часть 1. Экономические основы функционирования предприятий в условиях рынка; часть 2. Развитие предприятия и повышение качества продукции; часть 3. Современные формы и методы производства и хозяйственного руководства на предприятии; часть 4. Содержание, виды планирования; часть 5. Организация, планирование и мотивация труда; часть 6. Оценка финансовых результатов деятельности предприятий.

В книге даны рекомендации по разработке бизнес-плана предприятия, планированию деятельности фирмы в условиях рынка, организации труда и производства, мотивации труда, планированию и анализу финансового положения предприятия, технико-экономического обоснованию инвестиций.

Учебник [21] состоит из следующих частей: раздел 1. Предприятие в условиях рыночной экономики; раздел 2. Производственные ресурсы предприятия; раздел 3. Организация производства на предприятии; раздел 4. Экономический механизм управления предприятием; раздел 5. Инновационная и инвестиционная деятельность предприятия; раздел 6. Финансовые ресурсы предприятия.

Коллектив авторов в четвертое издание учебника включили более широкий круг вопросов. В нем содержатся новые материалы по среде функционирования предприятием, по трудовым ресурсам, производственной инфраструктуре предприятия, организации производственного процесса, механизму управления предприятием, экстенсивным и интенсивным факторам его развития.

Помимо этого более подробно рассмотрена инновационная и инвестиционная деятельность предприятия, показаны собственные и заемные средства, расходы и доходы предприятия.

Книга [30] состоит из следующих разделов: часть 1. Управление качеством окружающей среды; часть 2. Защита окружающей среды.

В учебном пособии рассмотрены основные проблемы экологизации металлургического производства. Подробно освещены вопросы управления качеством окружающей среды, защиты элементов биосферы от техногенных воздействий. Приведены примеры ресурсосберегающих, малоотходных, экологически чистых технологий в металлургии, а также систем очистки выбросов, сбросов и обращения с отходами различных переделов.

Индукционная тигельная печь имеет следующие основные узлы: индуктор, каркас печи, магнитопроводы, плавильный тигель, крышку и подину, механизм наклона печи.

Рассмотрим конструктивные особенности упомянутых элементов печи.