Схемы питания и управления печами

Индукционные канальные печи выполняются со сменными индукционными единицами мощностью от 200 до 1000 кВА. Индукционные единицы мощностью до 300 кВА можно питать от индивидуальных однофазных электропечных автотрансформаторов, подключаемых к заводской подстанции на напряжение 380 В с ручной или автоматической регулировкой вторичного напряжения от 0 до 500 В.

Индукционные единицы мощностью свыше 300 кВА питаются от высоковольтных электропечных трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой путем переключения витков вторичной или первичной обмотки без выключения печи. Мощность таких трансформаторов от 400 до 1600 кВА.

Первичная обмотка трансформаторов подключается к сети высокого напряжения (6 или 10 кВ).

Для подключения электропечных трансформаторов к высоковольтным сетям служат комплектные распределительные устройства (КРУ), которые собираются из стандартных шкафов с масляными выключателями, разъединителями, трансформаторами тока и напряжения, измерительными приборами, а также аппаратурой защиты и сигнализации.

Индукционная единица подключается ко вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для более точного регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава. Мощность автотрансформатора выбирается в пределах 25-30 % мощности основного трансформатора.

Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры, выдающие сигнал при превышении температуры свыше допустимой. Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла.

Для обеспечения надежного питания при эксплуатации и в аварийных случаях приводные двигатели механизмов наклона печи, вентилятора, привод загрузочно-разгрузочных устройств и системы управления питаются от отдельного трансформатора собственных нужд.

Индукционные тигельные печи служат в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, т. е. сплавов на основе железа.

Тигельные печи по частоте источника питания подразделяются на три вида:

1. Печи высокой частоты (50-500 кГц) с питанием от ламповых генераторов.

2. Печи средней (повышенной) частоты (150-10000 Гц) с питанием от умножителей частоты, вращающихся машин генераторов и статических преобразователей.

3. Печи низкой (промышленной) частоты 50 Гц.

По конструкции печи выполняются открытыми – для плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере и герметически закрытыми – для плавки в вакууме или среде нейтральных газов (вакуумно-компрессионные печи). Тигельные печи имеют следующие достоинства:

1. Легкое достижение высоких температур, так как энергия выделяется непосредственно в нагреваемом металле.

2. Отсутствие соприкосновения с топливом или электродами, что позволяет получать металл и сплавы, чистые по химическому составу.

3. Наличие интенсивного перемешивания расплавленного металла под воздействием электродинамических сил, что способствует получению однородного химического состава без применения механических перемешивающих устройств.

4. Малая окисляемость и небольшой угар компонентов состава из-за наличия более холодного шлака на поверхности расплавленного металла.

5. Возможность проведения плавки в вакууме и нейтральной среде для получения сплавов высокого качества.

6. Отсутствие перегрева футеровки печи, что повышает срок ее службы.

7. Возможность работы в периодическом режиме, что уменьшает простои печи на холостом ходу и дает возможность смены химического состава выплавляемых сплавов и без оставления не сливаемого остатка металла.

Недостатками тигельных печей являются:

1. Необходимость специальных источников питания для печей средней и высокой частоты, что усложняет установку и снижает к.п.д. нагревательной системы.

2. Относительно низкая температура шлаков.

3. Повышенный расход шлаков для покрытия вспученной поверхности ванны при низких частотах.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом загрузки, размещенной в тигельной печи. Энергия, выделяемая в металле, зависит от частоты тока, соотношений диаметров тигеля и индуктора, размеров и электрофизических свойств шихты. Так как при изменении температуры изменяются геометрические размеры кусков металла, их магнитная проницаемость и удельное сопротивление, то частоту тока выбирают из условий оптимального режима плавки, при которых процесс расплавления идет наиболее быстро.

Индукционные тигельные печи (ИТП) применяются для скоростных плавок черных и цветных металлов, для плавки черных металлов. Печи работают на разных частотах: промышленной (50 Гц); средней (0,5-10 кГц) и высокой (сотни-тысяч кГц).

В основе работы печей без сердечника также лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к печи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи превращается в электрическую, а затем в тепловую. Первичной обмоткой служит индуктор, вторичной обмоткой и нагрузкой – расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутри индуктора. Магнитный поток проходит по самой шихте, поэтому большое значение имеют магнитные свойства, а также размеры и форма загружаемой шихты. Магнитная проницаемость для ферромагнитных материалов достаточно высока и до температуры 740-770 °С постоянна по величине. В этом случае шихта одновременно играет роль незамкнутого сердечника. После того как температура расплавляемого материала превысит указанные значения, работа печи становится аналогичной работе трансформатора без сердечника. Величина ЭДС в каждом витке пропорциональна частоте и величине магнитного потока. При отсутствии сердечника проводимость для магнитных силовых линий снижается, поэтому увеличивают частоту переменного тока.

На рис. 3.2 показана ИТП без сердечника, которая состоит из индуктора (1), подключаемого к источнику питания переменного тока, расплавленного металла (2), находящегося внутри огнеупорного тигля (3). В тигельных печах большой емкости предусматривается внешний магнитопровод (рис. 3.3). В тигель можно загружать любую шихту: отходы литейного производства, чушки, мелкую стружку и т. п.

Индукторы изготавливают из медной трубки (круглого или квадратного сечения), охлаждаемой водой, накладываемой в один слой. Обмотка состоит из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение. Печи могут работать с оставлением сплава (25-30 % емкости тигля) или без него.

В ИТП большой емкости применяются источники питания промышленной частоты, средней и малой емкости – повышенной и высокой частоты.

Неэлектропроводные тигли изготавливают из кварцитовых, магнезитовых, циркониевых материалов. Они размещаются внутри индуктора, не поглощают энергию магнитного поля и одновременно являются теплоизоляторами между расплавляемым металлом и охлаждаемыми стенками индуктора.

Рис. 3.2. Индукционная тигельная печь:

1 – индуктор; 2 – расплавленный металл; 3 – тигель

Конструкции тигельных печей показаны на рис. 3.3-3.5.

Рис. 3.3. Схема и конструкция индукционной тигельной печи:

1 – индуктор; 2 – расплавленный металл; 3 – магнитопровод;

4 – огнеупорный тигель; 5 – крышка подъема

Электропроводящие тигли изготавливают из жароупорных сталей, легированных чугунов и графитов. Они поглощают наибольшую часть энергии переменного электромагнитного поля. Нагрев до расплавления косвенный: излучением (для шихты раздробленной с малым коэффициентом заполнения), а после – контактный. Наружные стенки таких тиглей должны быть изолированы от внутренних стенок индуктора.