УДК 621.365 - Сибирский федеральный университет

УДК 621.365
ИННОВАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВОВ В ИНДУКЦИОННЫХ
ПЕЧАХ
Гончаров Д.Е.
научный руководитель старший преподаватель кафедры «МиТОМ» Кукарцев В.А.
Сибирский Федеральный Университет
Политехнический институт
Индукционная плавка в литейном производстве стала активно применяться с 50-х
годов прошлого века и к середине 70-х стала плавкой номер один особенно
чугунолитейных производствах. Большинство печей работали с использованием тока
промышленной частоты с обязательным наличием «болота» (не менее 1/3 объема печи)
, что ограничивало плотность мощности так как при высокой мощности и малой
частоте перемешивание расплава в печи слишком интенсивное и может привести к
выплескиванию его из печи. Основным представителем таких печей являются печи
ИЧТ. Наряду с ними применялись печи высокой частоты ИСТ с частотой более 1000 Гц
со значительно меньшей емкостью, обладающие высокой производительностью при
выплавке легированных сталей ( их емкость ограничивалась мощностью
существующих преобразователей) Опыт эксплуатации печей ИСТ показал их высокую
эффективность и производительность, а с 80-х годов началось активное применение
индукционных тигельных печей средней частоты для всех видов сплавов, этому
способствовало создание необходимых конструкции преобразователей. Их
особенностью является возможность использования высокой плотности мощности, что
позволяет лучше использовать оборудование, минимизировать время, необходимое для
выполнения плавки, значительно повысить эффективность работы, так как
энергетические потери, расходуемые на тепловую проводимость, и излучение
минимизируется из-за малого нахождения металла в печи. Высокая
производительность достигается благодаря высоким значениям удельной мощности,
особенно на средних частотах. Этот метод скоростной плавки с высокой
энергонасыщенностью и полным сливом печи стал известен как плавка с полным
сливом. Первыми фирмами приступившими к изготовлению таких печей стали фирмы
как: ABB (Германия) и Индуктотерм (США), и их первые печи появились в 30-х годах
прошлого столетия, следом за ними к изготовлению таких печей приступила фирма
OTTO JUNKER(Германия) и в 60-х годах затем фирма EGES (Турция) в 80-х годах,
РЭЛТЕК (Россия) в 1996 году и фирма AIT (Китай) с 2008 года. На сегодняшний день
печь средней частоты с полным сливом металла работает следующим образом. На
первой стадии работы печи (первая загрузка) ведется быстрый разогрев шихты в
режиме стабилизации мощности, подводимой к нагрузке, далее в процессе плавки
периодически осуществляется подвалка шихты, происходит значительное изменение
удельного сопротивление материала шихты, теряются его ферромагнитные свойства
при переходе точки Кюри, образуется жидкая фаза. Для поддерживания постоянной
мощности системой регулирования и управления производится коррекция рабочей
частоты преобразователя. Процесс плавки ведется на повышенной частоте (например
250 Гц) при допустимой удельной мощности в 3-4 раза выше чем в индукционной
частоты не допуская выброса расплава из тигля печи. На второй стадии, когда уже
получен расплав при полной загрузке печи и начинается этап легирования,
науглероживания, корректировки химсостава системой регулирования и управления
производится перераспределение мощности по секциям индуктора при более низкой
частоте (например 125 Гц), создается концентрация мощности в отдельных зонах тигля
и обеспечиваются различные виды активного перемешивания расплава.
Для того, чтобы справиться с разнообразием требований по эксплуатации
бессердечниковой печи средней частоты, предусмотрено пять разных режимов работы:
плавка, выдержка, перегрев, спекание, холодный пуск
Плавка. Печи могут включаться и выключаться при помощи двух функциональных
клавиш на панели оператора или двух кнопок на пульте управления оператора.
Мощность регулируется на пульте управления оператора. Дисплей на пульте
управления оператора показывает текущие значения всех параметров процесса. В
сочетании с системой взвешивания система управления автоматически применяет
требуемую энергию для доведения металла на первом этапе до промежуточной температуры, приблизительно 100°C, ниже окончательной температуры. После
подтверждения измерения температуры для получения окончательной температуры
применяется соответствующая энергия. Затем система автоматически включает режим
выдержки.
Выдержка. В данном режиме работы расплавленный металл в печи может
удерживаться при желаемой температуре. При регулярных промежутках времени печь
снабжается предварительно установленной удерживаемой энергией. Используемая
энергия регулируется при помощи потенциометра пульта управления оператора. Не
требуется специальных установок потенциометра, пока установленная мощность равна
или больше, чем мощность выдержки. Потребление заданной мощности выдержки
может быть измерено. Эта заданная величина применяется автоматически, каждый раз
когда выбирается режим "Выдержка".
Перегрев. В данном режиме работы температура расплавленного металла в печи может
быть увеличена заранее установленным диапазоном. Требуемая электроэнергия
вводится оператором, и система автоматически использует требуемую энергию.
Заданная мощность вводится на пульте управления оператора.
Спекание. Предварительные установки программы спекания должны делаться только
один раз, полагая, что каждая новая футеровка будет выполняться при тех же условиях,
например, используя тот же футеровочный материал. Программа спекания вводится
оператором. До десяти интервалов прибл. макс. 120 мин. могут быть предварительно
выбраны, периоды включить и выключить. В данном режиме мощность печи не
зависит от установок потенциометра. Заданная мощность вводится на потенциометре,
установленном в шкафу преобразователя.
Холодный пуск .Данный режим используется для теплового режима установки после
долгого простоя, например на выходные, и служит для возобновления нормальной
работы, как можно быстрее, не ожидая нагрева печи в рабочее время. В данном режиме
вторичный водный охладитель (контур печи) печи запускаются автоматически.
Система выключается автоматически при двух условиях: либо если пришло
предварительно установленное время выключения, либо использована предварительно
установленная энергия. После этой процедуры можно начать нормальную
производственную работу. Это также служит для продления срока службы футеровки
печи, снижения времени простоя для повторной футеровки.
Система управления в печах фирм ABP и Индуктотерм на практике доказала
возможность:
1. Поддерживать на постоянном уровне отрегулированную силу тока при любых
условиях плавильного процесса – печь работает на полную мощность без
участия оператора.
2. Обеспечивать самый низкий расход, по сравнению с другими печами, кВт/час и
кВт на один килограмм.
3. Гарантирует самый низкий уровень себестоимости и самую высокую
производительность.
Система компьютерного контроля обеспечивает:
1. Детализированные контрольные испытания при запуске печи в работу.
2. Автоматическую плавку а после её завершения, в зависимости от
запрограммированного режима, снижает мощность установки до уровня,
необходимого для поддержания соответствующей температуры или же
отключает печь.
3. Обеспечивает возможность прослеживания степени загрузки печи в режиме
реального времени.
4. Анализ загрузки и расчет необходимой загрузки.
5. Автоматический, полностью программируемый процесс шлакообразования и
шлакоудаления.
6. Автоматическое спекание футеровки.
7. Автоматический ввод печи в эксплуатацию после перерыва в работе(«холодный
старт»)
8. Контроль электрических параметров режима работы.
9. Контроль температуры воды в каждой цепи водоохлаждения.
10. Контроль состояния футеровки тигля печи.
Кроме этого печи могут комплектоваться устройством для выталкивания изношенной
футеровки(обычная схема выбивки вручную), вибраторами (донными и боковыми) для
набивки футеровки, защитными крышками(колпаками) с системой удаления газов из
печи, механизированными установками для загрузки шихты в печь и специальными
установками для охлаждения электрооборудования печи (индуктор, преобразователь)
Инверторы преобразуют применяемое напряжение постоянного тока в однофазное
напряжение переменного тока средней частоты, подаваемое в параллельный
колебательный контур, который образован индукционной катушкой тигельной печи и
компенсационными конденсаторами.
И наконец; за последние 10 лет активно внедряется новое поколение индукционных
печей средней частоты – это плавильные установки состоящие минимум из 2-ух
плавильных печей и одного преобразователя. Они обладают следующими
достоинствами:
1.
2.
3.
4.
5.
Любое распределение мощности между печами
Не требуется время на переключение(автоматически)
Исключается перегрев металла в режиме хранения
Используется только один преобразователь.
Выполнимы всевозможные производственные требования, в частности: ведение
плавки в одной печи и поддержание необходимой температуры расплава при его
разливе из другой печи или введение одновременной плавки в 2-х печах с
любым необходимым распределением мощности между ними, а так же спекание
футеровки в одной из печей при работе второй печи.
Исходя из материала, представленного в интернете индукционные печи средней
частоты выпускаемыми разными фирмами характеризуются следующими показателями
(таблица).
Вывод: Изложенный материал позволит правильно выбрать плавильное оборудование
при проектировании и строительстве новых и реконструкции существующих литейных
цехов.