Канальні індукційні електричні печі

За будовою канальна піч нагадує конструкцію силового трансформатора: вона має стальний шихтований магнітопровід, первинну обмотку – індуктор з кількістю витків W₁ і вторинну обмотку – заповнений рідким металом канал. Принципова схема індукційної канальної печі наведена на рис. 5.5, а заступна схема та векторна діаграма параметрів режиму – на рис. 5.6.

Рис. 5.5. Принципова схема індукційної канальної печі

На рис.5.5. показані основний потік Ф₁ і потік розсіяння Ф_s. Для зменшення потоку Ф_s індуктор і канал розташовують на одному стержні магнітопроводу М, через який замикається Ф₁. Відмінність індукційної печі від трансформатора полягає у наступному:

– вторинна обмотка є одночасно навантаженням;

– через велике значення Ф_s піч має мале значення cosφ;

– впливом поверхневого ефекту у каналі.

Потік розсіяння Ф_s складає близько 25÷30 % від основного потоку Ф₁, перетинаючи канал з рідким металом, наводить у ньому електрорушійну силу Е₂, яка викликає струм І₂ у каналі. Тепло в металі каналу виділяється за законом Джоуля-Ленца при проходженні струму І₂:

, Дж,

де R₂ – активний опір металу в каналі, Ом; τ – час проходження струму, с; І₂ – струм у каналі, А.

Коефіцієнт трансформації k=w₁ / w₂ = w₁, а електрорушійна сила Е₂= 4,44 Ф₁ w₂ f, де f – частота струму в індукторі; Ф₁ – основний магнітний потік.

Практично Е₂ < Е₁ / k через велике значення потоку розсіяння Ф_s.

Рис. 5.6. Заступна схема (а) і векторна діаграма параметрів режиму печі (б)

З векторної діаграми (рис. 5.6) видно, що

,

де – зведене значення струму І ₂; , , , – зведені активний, індуктивний і повний опір металу в каналі.

Коефіцієнт потужності печі можна визначити за формулою

,

з якої випливає, що cos φ _п зростає при збільшенні активного опору . Реальні значення cos φ _п знаходяться у межах 0,3÷0,7, при цьому менше значення відповідає печам для виплавлення металу з меншим питомим опором (мідь, алюміній).

Основні види конструкції індуктивних канальних печей наведені на рис. 5.7.

Канальні індукційні печі мають такі основні вузли:

– кожух;

– футерування печі (футер);

– індукційні одиниці (індуктор, магнітопровід, канал);

– струмопровід;

– механізм нахилу печі чи механізм зливання металу;

– система охолодження.

Індукційні канальні печі виконуються з можливістю нахилу та стаціонарні. Механізм нахилу печі для зливання металу може бути з електромеханічним або з гідравлічним приводом. Зі стаціонарних печей метал випомповують помпами або черпають відповідними черпаковими пристроями.

Рис. 5.7. Типи конструкції канальних печей: а – шахтна; б – барабанна; в – двокамерна з горизонтальним каналом

Кожух печі виготовляють з листової сталі товщиною 6-10 мм. Його оснащують механізмами повороту, розсування дверцят, зливним носиком тощо. У кожусі передбачені місця для приєднання індукційних одиниць, струмопроводів, вентиляційних каналів.

Футер ванни викладається з вогнетривких матеріалів (шамотна чи магнезитова цегла) чи набивається зі спеціального порошку. Склад футеру залежить від розтоплюваного металу чи сплаву (з метою уникнення забруднення чи хімічної реакції).

Індукційна одиниця – знімна частина, що складається з кожуха, магнітопроводу, футерівки, індуктора і є пічним трансформатором з футерованим каналом. Індукційна одиниця приєднується до кожуха печі болтовим з’єднанням. Канали можуть мати вигляд кільця чи складатися з прямокутних ділянок і півкільця. У перерізі канали бувають прямокутної, круглої чи овальної форми. Магнітопровід шихтують з листів трансформаторної сталі товщиною 0,35 і 0,5 мм марок 1511, 1512 і 3411. Конструкція індукційних одиниць наведена на рис. 5.8. Оскільки в каналі печі температура вища ніж у ванні, то футер його зношується швидше, що й зумовлює його знімне виконання.

Індуктор виконують з обмоткових проводів або з мідних трубок круглого чи прямокутного перерізу з водяним охолодження. Густина струму в індукторі

– при повітряному охолодженні – 2,5÷4 А/мм²,

– при водяному охолодженні – 10÷15 А/ мм².

Між індуктором і футеруванням утворюються канали 20÷30 мм для охолодження магнітопроводу, футеру та індуктора.

Рис. 5.8. Конструкція індукційних одиниць канальних печей:

а – одинарна; б – здвоєна; 1 – футер; 2 – охолоджуваний водою кожух; 3 – магнітопровід; 4 – індуктор.

У канальних печах однорідність хімічного складу та однакова температура рідкого металу забезпечується інтенсивним переміщуванням металу, яке зумовлене взаємодією магнітного поля індуктора зі струмом у каналі (магнітогідродинамічні явища у канальних печах).

Проаналізуємо взаємодію струму в каналі з магнітним полем на окремих ділянках каналу (рис. 5.9). На нижній ділянці І каналу (рис. 5.9,а) з незмінним поперечним перерізом вектор густини струму δ _Z має осьове спрямування, а індукція магнітного поля В – тангенціальне. Електромагнітна сила F_r має радіальне спрямування до осі каналу (рис. 5.9,б). Ця сила стискає метал у каналі. Для уникнення перетискання необхідно щоб сила гідравлічного і атмосферного тиску перевищували силу стискання.

На ділянці ІІ (рис. 5.9, в) індукція магнітного поля також має тангенціальне спрямування, але вектор густини струму має осьову δ _Z та радіальну δ _r складові. Внаслідок цього результуюча сила F має також дві складові F_Z – осьову та F_r – радіальну. Сила F_Z сприяє переміщенню металу у каналі.

Рис. 5.9. Взаємодія струму каналу з магнітним полем

Основними перевагами індукційних канальних печей є такі:

– високий ККД та менші питомі витрати електроенергії порівняно з іншими типами плавильних печей;

– висока якість металу внаслідок його інтенсивного перемішування і руху у просторі печі;

– малий вигар металу (не більше 1 %).

Якість металу залежить від якості шихти, оскільки відсутнє рафінування.

Недоліками канальних печей є такі:

– необхідність цілодобового підтримування металу у рідкому стані в каналі та частково і ванні печі; це зумовлює неперервні режими роботи та утруднює перехід від виплавлення одного металу до іншого;

– мала стійкість вогнетривкого футерування;

– низький коефіцієнт потужності (cos φ = 0,2÷0,7).

Основні технічні та експлуатаційні характеристики канальних печей наведені у табл. 5.3.

Таблиця 5.3

Технічні параметри індукційних канальних плавильних печей

промислової частоти

*Питомі витрати електроенергії подані для перегріву 1 т чавуну на 100°С