Индукционной тигельной печи

Расчет частоты индукционных тигельных печей производится исходя из выражения для определения глубины проникновения тока в загрузку

, м, (3.7)

где - удельное сопротивление загрузки,

- относительная магнитная проницаемость загрузки,

Гн/м – магнитная проницаемость вакуума,

- частота питающей сети, Гц.

Из (3.7) частота ИТП в общем виде равна

, Гц. (3.8)

Выражение для зависит от значения некоторого характерного размера (аргумента)

,

где - средний диаметр кусков шихты, м;

- глубина проникновения тока в шихту, м.

Заменив в (3.8) на и выразив через , определяют .

При нагреве стали изменяются ее удельное сопротивление и магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость слабо зависит от температуры при­мерно до С, после чего быстро уменьшается и достигает значения, примерно равного про­ницаемости вакуума. В приближенных расчетах обычно считается, что она падает скачком до в точ­ке магнитных превращений (точке Кюри), примерно соответствующей температуре С.

На рис. 3.1 исходное значение маг­нитной проницаемости принято равным 16, что объясняется при­менением при индукционном на­греве весьма сильных магнитных полей. Часто ее исходное значе­ние составляет . Зависимость удельного сопро­тивления от температуры для стали с содержанием углерода 0,4 - 0,5 % приведена на том же рис. 3.1. Из кривой видно, что в промежутке С удельное сопротив­ление возрастает примерно в 5 раз. В дальнейшем рост удельного сопротивления замедляется, причем значения его для разных сор­тов стали становятся почти равными.

В среднем можно принять, что в интервале температур С удельное сопротивление равно Ом×м. В результате падения магнитной проницаемости и роста удельного сопротивления в процессе нагрева глубина проникновения тока возрастает в раз. Для определения глубины проникновения тока в сталь, нагретую выше точки магнитных пре­вращений, можно записать формулу
Рис. 3.1. Зависимость относитель­ной магнитной проницаемости и удельного сопротивления от тем­пературы для среднеуглеродистой стали

при Ом×м и .

Индекс «к» указывает, что значения соответствующих величин относятся к температуре, превышающей точку магнитных превращений. Глубину проникновения тока в этом случае будем называть горячей глубиной проникновения тока.

В качестве примера на рис. 3.2 приведено изменение удельного сопротивления для чистых металлов.

В печах, загружаемых кусковой шихтой, в начале плавки индуктируемые токи замыкаются внутри отдельных кусков, поскольку они имеют плохой электрический контакт между собой. Наиболее неблагоприятным моментом плавки считается момент, предшествующий сплавлению отдельных кусков в монолит [7], когда относительная магнитная проницаемость , а удельное сопротивление существенно возросло по сравнению с исходным холодным состоянием. Исходя из рекомендаций [17], в этот момент целесообразно принимать .

В [2] приводится формула Нортрупа для ориентировочной оценки без учета электрического КПД при условии, что

, Гц. (3.9)

Однако, как считает автор [2], должно существовать такое минимальное значение частоты, которое обеспечивает максимальную величину общего электрического КПД.

Эта частота должна соответствовать аргументу .

Анализ, проведенный в [6], показывает, что значение , допустимое с точки зрения эффективности нагрева, находится в районе значений аргумента .

При плавке кусковой шихты без остаточной емкости ( ) минимальная частота определяется по выражению [6] при условии

, Гц, (3.10)

где - удельное сопротивление шихты, Ом×м; - относительная магнитная проницаемость шихты. Для магнитной шихты рекомендуется подставить в (3.10) значение и при начальной температуре шихты. При плавке ферромагнитной кусковой шихты рекомендуется принимать и при температуре потери магнитных свойств (точки Кюри).   По рекомендациям [7] минимальная частота печи с кусковой шихтой определяется, исходя из условия, что , по выражению

Рис.3.2. Зависимость удельного электрического сопротивления некоторых металлов от температуры

, Гц, (3.11)

где - удельное сопротивление расплавляемого материала при температуре, несколько меньшей температуры плавления, т.е. при температуре спекания отдельных кусков шихты в монолит, Ом×м.

При этом, по мнению [7], обеспечиваются минимально приемлемые условия нагрева.

По рекомендациям [2] минимальная частота печи с кусковой шихтой определяется по выражению

, Гц, (3.12)

при условии ,

где - удельное сопротивление шихты при температуре потери магнитных свойств.

Определив , производят предварительный расчет частоты, исходя из шкалы частот источников питания электротермических установок – 50 , 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10 000 Гц.

В тех случаях, когда выбор частоты ограничен в связи с наличием определенных источников питания, может оказаться целесообразным изменение гранулометрического состава шихты, увеличение среднего диаметра кусков.

ПРИМЕР 2

Рассчитать частоту источника питания и выбрать источник питания индукционной тигельной печи.

В качестве исходных данных принять исходные данные и результаты расчета примера 1.

Минимальная частота тока индукционной тигельной печи, определяемая по (3.11)

,

Гц.

Минимальная частота тока индукционной тигельной печи, определяемая по (3.10)

,

Гц.

Минимальная частота тока индукционной тигельной печи, определяемая по (3.12)

,

Гц.

Для выбора частоты и мощности источника питания и для последующих расчетов примем вариант, при котором обеспечиваются минимально приемлемые условия нагрева (3.11).

Выбираем из ряда рекомендованных частот частоту Гц.

В качестве источника питания – три тиристорных преобразователя, включенные в параллель, суммарной мощностью 2400 кВт. Напряжение источника питания, подводимое к индуктору, В.

Характеристики выбранного источника питания соответствуют данным, приведенным в табл. 2.1 для индукционной тигельной печи ИСТ-6, предназначенной для плавки стали.