Jak funguje indukční kelímková pec?

PRINCIP FUNKCE INDUKČNÍ TROUBY. PRINCIP INDUKČNÍHO OHŘEVU

Principem indukčního ohřevu je přeměna energie elektromagnetického pole absorbovaného elektricky vodivým ohřívaným předmětem na tepelnou energii.

V instalacích indukčního ohřevu je elektromagnetické pole vytvářeno induktorem, což je víceotáčková válcová cívka (solenoid). Induktorem prochází střídavý elektrický proud, jehož výsledkem je časově proměnlivé střídavé magnetické pole kolem induktoru. Toto je první transformace energie elektromagnetického pole, popsaná první Maxwellovou rovnicí.

Ohřívaný předmět je umístěn uvnitř nebo vedle induktoru. Měnící se (v čase) tok vektoru magnetické indukce vytvářený induktorem proniká ohřívaným předmětem a indukuje elektrické pole. Elektrické čáry tohoto pole jsou umístěny v rovině kolmé ke směru magnetického toku a jsou uzavřené, to znamená, že elektrické pole v ohřívaném předmětu je vírového charakteru. Vlivem elektrického pole podle Ohmova zákona vznikají vodivé proudy (vířivé proudy). Jedná se o druhou transformaci energie elektromagnetického pole, popsanou Maxwellovou druhou rovnicí.

Ve vytápěném objektu se energie indukovaného střídavého elektrického pole nevratně přeměňuje na tepelnou energii. Takový tepelný rozptyl energie, který má za následek zahřívání předmětu, je dán existencí vodivých proudů (vířivých proudů). Jde o třetí přeměnu energie elektromagnetického pole a energetický vztah této přeměny popisuje Lenz-Jouleův zákon.

Popsané transformace energie elektromagnetického pole umožňují:
1) přenést elektrickou energii induktoru na vyhřívaný předmět bez použití kontaktů (na rozdíl od odporových pecí)
2) uvolňovat teplo přímo ve vytápěném objektu (tzv. „pec s vnitřním zdrojem vytápění“ dle terminologie prof. N. V. Okorokova), v důsledku čehož je využití tepelné energie nejdokonalejší a vytápění se výrazně zvyšuje rychlost (ve srovnání s tzv. „pecemi s externím zdrojem vytápění“).

Velikost intenzity elektrického pole ve vyhřívaném předmětu je ovlivněna dvěma faktory: velikostí magnetického toku, tj. počtem magnetických siločar, které pronikají předmětem (nebo spojených s vyhřívaným předmětem), a frekvencí napájecí proud, tj. frekvence změn (v čase) magnetického toku vázaného na vyhřívaný předmět.

To umožňuje vytvořit dva typy instalací indukčního ohřevu, které se liší jak designem, tak provozními vlastnostmi: indukční instalace s jádrem a bez jádra.

Indukční ohřívací zařízení se podle technologického určení dělí na tavicí pece pro tavení kovů a ohřívací zařízení pro tepelné zpracování (kalení, temperování), pro průběžný ohřev obrobků před plastickou deformací (kování, lisování), pro svařování, pájení a navařování. pro produkty chemicko-tepelné úpravy atd.

Podle četnosti změn proudu dodávajícího instalaci indukčního ohřevu se rozlišují:
1) průmyslové frekvenční instalace (50 Hz), napájené ze sítě přímo nebo přes transformátory snižující výkon;
2) vysokofrekvenční instalace (500-10000 Hz), napájené elektrickými stroji nebo polovodičovými frekvenčními měniči;
3) vysokofrekvenční instalace (66 000-440 000 Hz a více), napájené elektronkovými elektronickými generátory.

Jádro indukční topné jednotky

V tavicí peci (obr. 1) je na uzavřeném jádru z elektrooceli (tloušťka plechu 0,5 mm) namontován válcový víceotáčkový induktor z profilované měděné trubky. Kolem induktoru je umístěna žáruvzdorná keramická vyzdívka s úzkým prstencovým kanálem (horizontálním nebo vertikálním), kde se nachází tekutý kov. Nezbytnou podmínkou provozu je uzavřený elektricky vodivý kroužek. Proto je nemožné v takové peci roztavit jednotlivé kusy pevného kovu. Pro spuštění pece musíte do kanálu nalít část tekutého kovu z jiné pece nebo ponechat část tekutého kovu z předchozí taveniny (zbytková kapacita pece).

Obr. 1. Schéma indukční kanálové pece: 1 – indikátor; 2 – kov; 3 – kanál; 4 – magnetický obvod; F je hlavní magnetický tok; F_1r a F_2r — magnetické svodové toky; U₁ a já₁ — napětí a proud v obvodu induktoru; já₂ – vodivost proudu v kovu

V ocelovém magnetickém jádru indukční kanálové pece je uzavřen velký pracovní magnetický tok a pouze malá část celkového magnetického toku vytvořeného induktorem je uzavřena vzduchem ve formě únikového toku. Proto takové pece úspěšně pracují při průmyslové frekvenci (50 Hz).

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto velké množství typů a provedení takových pecí (jednofázové a vícefázové s jedním a několika kanály, s vertikálním a horizontálním uzavřeným kanálem různých tvarů). Tyto pece se používají k tavení neželezných kovů a slitin s relativně nízkým bodem tavení a také k výrobě vysoce kvalitní litiny. Při tavení litiny se pec používá buď jako kotel (směšovač) nebo jako tavicí agregát. Konstrukce a technické charakteristiky moderních kanálových indukčních pecí jsou uvedeny v odborné literatuře.

Indukční topné jednotky bez jádra

V tavicí peci (obr. 2) je roztavený kov v keramickém kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Induktor je vyroben z profilované měděné trubky, kterou prochází chladicí voda. Více o konstrukci induktoru se můžete dozvědět zde.

Absence ocelového jádra vede k prudkému zvýšení magnetického svodového toku; počet magnetických siločar propojených s kovem v kelímku bude extrémně malý. Tato okolnost vyžaduje odpovídající zvýšení frekvence změny (v čase) elektromagnetického pole. Pro efektivní provoz indukčních kelímkových pecí je proto nutné dodávat do nich proudy zvýšené a v některých případech i vysoké frekvence z vhodných proudových měničů. Takové pece mají velmi nízký přirozený účiník (cos φ=0,03-0,10). Proto je nutné použít kondenzátory pro kompenzaci jalového (indukčního) výkonu.

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto několik typů indukčních kelímkových pecí ve formě odpovídajících velikostních rozsahů (podle kapacity) vysoké, vysoké a průmyslové frekvence pro tavení oceli (typ IST).

Rýže. 2. Schéma konstrukce indukční kelímkové pece: 1 – induktor; 2 – kov; 3 – kelímek (šipky ukazují trajektorii oběhu tekutého kovu v důsledku elektrodynamických jevů)

Výhody kelímkových pecí jsou následující: teplo generované přímo v kovu, vysoká stejnoměrnost kovu v chemickém složení a teplotě, absence zdrojů kontaminace kovu (jiných než vyzdívka kelímku), snadné ovládání a regulace tavícího procesu , hygienické pracovní podmínky. Kromě toho se indukční kelímkové pece vyznačují: vyšší produktivitou díky vysokým specifickým (na jednotku kapacity) topným výkonům; schopnost roztavit pevnou vsázku bez ponechání kovu z předchozího tavení (na rozdíl od kanálových pecí); nízká hmotnost vyzdívky ve srovnání s hmotností kovu, která snižuje akumulaci tepelné energie ve vyzdívky kelímku, snižuje tepelnou setrvačnost pece a činí tavicí pece tohoto typu mimořádně vhodné pro periodickou práci s přestávkami mezi tavbami, např. zejména pro tvarové slévárny strojírenských závodů; kompaktnost pece, která umožňuje jednoduše izolovat pracovní prostor od okolí a provádět tavení ve vakuu nebo v plynném prostředí daného složení. Proto jsou vakuové indukční kelímkové pece (typ ISV) široce používány v metalurgii.

Spolu s výhodami mají indukční kelímkové pece následující nevýhody: přítomnost relativně studených strusek (teplota strusky je nižší než teplota kovu), což ztěžuje provádění rafinačních procesů při tavení vysoce kvalitních ocelí ; složité a drahé elektrické zařízení; nízký odpor vyzdívky při náhlých teplotních výkyvech v důsledku malé tepelné setrvačnosti vyzdívky kelímku a erozivního účinku tekutého kovu při elektrodynamických jevech. Proto se takové pece používají pro přetavování legovaného odpadu, aby se snížilo plýtvání prvky.

Reference:
1. Egorov A.V., Morzhin A.F. Elektrické pece (pro výrobu oceli). M.: „Hutnictví“, 1975, 352 s.

V průmyslovém sektoru se používají různá zařízení, zejména pokud se podnik zabývá hutní nebo výrobní činností. Poté, pro zpracování kovů, podniková administrativa zakoupí vakuové kelímkové pece, aby přeměnila pevné kovy na kapalné, a poté vyrobila předměty, které se běžně používají v každodenním životě.

Co je indukční kelímková pec

Kelímková indukční pec je průmyslové zařízení určené k tepelnému zpracování kovů (ohřev, tavení, žíhání, kalení atd.). Konstrukce funguje díky spotřebě elektrické energie, proto je ekonomická a jednoduchá na obsluhu.

Díky kelímkové peci produkují:

• Slitky ze zlata, stříbra.
• Železné nádobí.
• Drát, náhradní díly na auta atd.

K ohřevu roztaveného materiálu dochází vlivem střídavého elektrického pole přítomného uvnitř pracovní tlakové komory v běžící kelímkové peci. Tato pec je však také indukční, proto vlivem indukčních proudů přeměňuje elektrické pole na tepelnou energii.

Ze všech známých tavicích pecí je nejoblíbenější kelímková indukční pec. Jeho designovým rysem je absence jádra a tělo je vyrobeno ve válcovém tvaru z ohnivzdorného materiálu. Uvnitř induktoru je kelímek, ke kterému je připojen střídavý proud.

Výhody kelímkových pecí:

• Při indukci a tavení nedochází k emisím do životního prostředí, což zajišťuje šetrnost zařízení k životnímu prostředí.
• Další topná topná tělesa nejsou nutná, protože energie se začíná uvolňovat, když je zařízení zatíženo materiály.
• Pomocí indukční metody můžete dosáhnout rychlého zvýšení teploty, což urychlí pracovní proces.
• Teplota se šíří rovnoměrně po celé komoře a je vyrovnávána v celém objemu lázně, aby vznikla homogenní, vysoce kvalitní vícesložková slitina.
• Zařízení se snadno používá.
• Kelímková pec pracující na indukčních proudech může být ovládána automaticky nebo ručně. Specialisté mohou provádět úpravy během tavení.
• Hustota výkonu zvyšuje produktivitu závodu.

Konstrukce také umožňuje vytváření oxidačních a redukčních reakcí bez ohledu na tlak. Mezi nevýhody zařízení patří nízký odpor vyzdívky při nízkých změnách teplot a nízká teplota strusky používané pro práci s taveninou. Mnohé průmyslové podniky však našly způsoby, jak tyto nedostatky odstranit a aktivně využívají indukční metodu při tavení kovů různých hustot.

Typy kelímkových pecí

Dnes byly vyvinuty a používány různé modely indukčních kelímkových pecí. Každá z nich má své vlastní vlastnosti, takže instalace tavicích pecí byly klasifikovány podle:

• Objem, který se vejde dovnitř suroviny.
• Jako kelímek.
• Frekvence napájecího proudu.
• Povaha pracovní atmosféry.
• Strukturální vlastnosti.

Kelímek je zásobník pro umístění nálože . Vyrábí se ve 2 provedeních v závislosti na elektricky vodivých vlastnostech materiálu (ze kterého byl vyroben kelímek indukční pece):

Konstrukce typu 1 kombinují elektricky vodivé materiály (grafit, legovaná ocel) s kelímkem. Jsou vybaveny dodatečnou tepelnou izolací. Nevodivá zařízení jsou vyrobena z keramiky dielektrického typu. Materiály umístěné uvnitř tlakové komory jsou ohřívány indukovaným kelímkovým proudem.

Na základě konstrukčních prvků rozlišují:

Princip jejich činnosti je identický, ale existují drobné rozdíly ve způsobu provádění toku mimo kelímek.

Podle pracovní atmosféry se indukční kelímkové pece dělí na:

Na rozdíl od vakuových pecí fungují otevřené pece v atmosféře. V prvním případě zpracované kovy vycházejí s minimální koncentrací škodlivých nečistot a zbytečných plynů.

Frekvence napájecího proudu je jedním z nejdůležitějších kritérií pro výkon zařízení, proto se v závislosti na požadovaném pracovním objemu vyrábějí kelímkové pece (pracující indukcí) s různými napájecími zdroji:

• Elektrické (až 50Hz).
• Statistické násobiče frekvence (až 250 Hz).
• Trubkové generátory (vysokofrekvenční).

Dnes výrobci kelímkových pecí vyrábějí provedení s kapacitou 100 g. -120 t. Nejoblíbenější se stala instalace s objemem 140 dm 3 pracující na průmyslových a vysokých frekvencích.

Normy a technické parametry indukčních kelímkových pecí

Technické parametry a normy jsou vyvíjeny pro každý model indukčních kelímkových pecí samostatně, ale v některých parametrech jsou podobné. Uvažujme podrobněji na příkladu kelímkové indukční pece, model IChT-1/0,4 C2.

Toto provedení je určeno pro přetavování litinového materiálu. Kelímková indukční pec je vyrobena v souladu s GOST 15150-69 a je určena pro provoz za následujících podmínek:

• V blízkosti instalace by neměly být žádné otřesy nebo vibrace.
• Zařízení nelze použít nad hladinou moře, nad 1000 m.
• Je zakázáno používat design v průmyslových podnicích s koncentrovanou úrovní prachu a par (GOST 2.1.005-88).
• Provedení lze použít při okolní teplotě +5 °C – (+40 °C).
• (Aby se zabránilo rosení), nepoužívejte chladicí vodu o více než 15 °C pod okolní teplotou.
• Chlazená kapalina musí být zbavena nečistot, které vytvářejí sediment.
• Doporučená teplota chladicí vody je +5 °C – (+25 °C).

Tato indukční pec vyhovuje normám požární bezpečnosti, instalace by však měla být umístěna výhradně v uzavřených, nevýbušných místnostech, bez neagresivních plynných koulí a nečistot, které mohou poškodit kovy a izolaci.

Technické specifikace indukční tavicí pece:

Instalovaný výkon, kW	400
Spotřeba elektrické energie, kW	386
Hmotnost, t	1,0
Elektrická frekvence, Hz	50
Počet fází napájení	1
Jmenovité napětí, V: — síť – induktor	6000 nebo 10000 495
Rozsah teplot, °C: – optimální – max.	1400 1550
Účinnost tavení a přehřívání surovin, t/h	0,61
Spotřeba elektřiny na tavení, kWh/t	630
Konstrukční hmotnost, t	12,1
Hmotnost celého zařízení t	18,3
Spotřeba chladicí kapaliny, m/h	5,0

Důležité! Tyto charakteristiky jsou nominální, ale při posuzování účinnosti je třeba vzít v úvahu technologické vlastnosti tavení, čas (přidělený pro tavení), typ vsázky, možnost plnění a další faktory, které mohou ovlivnit výkon elektrické pece.

Princip činnosti indukční kelímkové pece a konstrukční vlastnosti modelu IChT-1/0,4 C2

Elektrická pec indukčního kelímkového typu je analogem transformátoru, protože pracuje na podobném principu. Další podobností mezi zařízeními pracujícími na indukci a transformátory je přítomnost:

• Vodou chlazený cívkový induktor.
• Sekundární vinutí (také známé jako zátěž, což je surovina umístěná uvnitř komory kelímku).

Zařízení rovná kovové suroviny díky proudům vznikajícím uvnitř komory vlivem magneticko-elektrického pole generovaného induktorem. Objevuje se také elektrodynamická síla, která vytváří pohyb, rovnoměrnost teploty a stejnoměrnost výsledné suroviny.

Podle GOST je elektrická pec tohoto modelu dodávána s dalším vybavením potřebným pro práci s konstrukcí. Tavírna IChT-1/0,4 C2 se skládá z:

• Tavicí jednotka.
• Induktor.
• Podpěrný rám.
• Magnetická jádra.
• Podšitý pásek s límečkem.
• Spodní podšívky.
• Kelímek.

Jednotka je umístěna uvnitř pouzdra konstrukce a lze ji snadno vyjmout z elektrické pece pomocí speciálních ok pomocí jeřábu.

Nosný rám kelímkové indukční pece je navržen:

• Z horní části otočené 2 pístky.
• Ta spodní, udržující nehybnost.

Hlavní částí konstrukce je induktor, vyrobený ve formě víceotáčkové, kapalinou chlazené cívky. Je vybavena 2 sekcemi: funkční a nečinná. Ten se používá k chlazení kelímku. Pro ochranu konstrukce před negativními vlivy jsou na vnější části tlumivky umístěny magnetické obvody z transformátorové oceli.

Hlavní věc je, že kelímkové pece jsou před uvedením do prodeje kontrolovány na kvalitu. Poté laboratoře otestují 1 zařízení z šarže a pokud splňuje všechny parametry GOST, je celá série uvolněna do prodejen průmyslového vybavení. Proto je téměř nemožné zakoupit nekvalitní zařízení.