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; F1r a F2r — 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.
Indukční tavicí pece se používají pro tavení železných a neželezných kovů: hliník, litina, měď, ocel. V současné době se ve slévárenské výrobě železa používají: 76 % kuplovny, 23 % indukční tavicí pece a 1 % elektrické obloukové pece. Existuje stálý trend ve zvyšování používání indukčních tavicích pecí.
Indukční tavicí pece slouží k výrobě tvarových odlitků ze železných i neželezných kovů. Podle konstrukce se tavicí pece dělí na indukční kanálové pece (IKF) a indukční kelímkové pece (IFC). Kanálové pece mají jádro, kelímkové pece se vyrábějí s jádrem nebo bez jádra.
Pracovní proces pecí je charakterizován: elektrodynamickým a tepelným pohybem tekutého kovu v lázni nebo kelímku, což přispívá k získání kovu, který má homogenní složení a rovnoměrný ohřev v celém objemu; nízký kovový odpad (několikrát méně než v obloukových pecích).
Provozní teploty pece:
– 750 °C – pro tavení hliníku;
– 1200 °C – pro tavení mědi;
– 200-1400 °C – pro tavení litiny;
– 1600 °C – pro tavení oceli.
Indukční potrubní pece používá se k tavení neželezných kovů, vysoce kvalitních slitin a litiny. Pece fungují pouze v průmyslové frekvenci.
1. Vysoká účinnost pecí.
2. Vysoká spolehlivost pece při použití nejnovějších vyzdívek, vysoká doba mezi poruchami pece – minimálně 3 roky.
3. V peci dochází k intenzivnímu promíchávání kovu bez porušení oxidového filmu, což zajišťuje: stejné chemické složení v celém objemu pece; stejná teplota v celém objemu pece; Možnost přidání legujících prvků.
4. Vysoká přesnost udržování teploty taveniny pomocí vestavěné jednotky řízení teploty taveniny, která zajišťuje snížení vad odlitku, plýtvání v důsledku absence přehřívání kovu a zvýšení životnosti vyzdívky.
5. Nízká spotřeba energie na tavení kovu.
6. Nízká spotřeba chladicí vody ve srovnání s kelímkovou pecí.
7. Snižování emisí škodlivých látek do ovzduší.
8. Během instalace není vyžadován žádný základ kamen ani upevnění k podlaze; není vyžadován žádný vysoce kvalifikovaný servisní personál.
Klasifikace pece:
– počtem fází: jedno-, dvou- a třífázové;
– dle provedení žlabu – s otevřeným nebo uzavřeným žlabem. V praxi se používají hlavně pece s uzavřeným kanálem;
– podle počtu kanálů na fázi: jedno-, dvou- a tříkanálové;
– podle uspořádání kanálů: s vertikální; horizontální; nakloněný;
– podle tvaru kanálu: kulatý; obdélníkový; trojúhelníkový.
Stavba Mezi hlavní součásti ICP patří tavicí vložková lázeň a indukční jednotka, která obsahuje ohniště s uzavřeným kanálem, magnetické jádro a induktor (obr. 3.2).
Lázeň pece je tvořena železným pláštěm, uvnitř kterého je vyzdívka. Na boční ploše pláště je vypouštěcí otvor.
Indukční jednotka se skládá z induktoru, vrstveného magnetického vodiče a nístějového kamene s tavícími kanály pokrývajícími induktor. Induktor je v podstatě primární vinutí transformátoru, vyrobené z mědi kruhového, obdélníkového průřezu nebo z měděné trubky, ve které cirkuluje voda (vodní chlazení). Magnetický obvod je pancéřové nebo tyčové jádro sestavené z transformátorového plechu. Krbový kámen vyrobeno z bronzu nebo nemagnetické oceli, má jeden nebo více kanálů pro uvolňování tepla. Kanál s roztaveným kovem 1 je zkratovaný závit sekundárního vinutí transformátoru. Ve vaničce je otvor pro spojení vany s krbovým kamenem. V době tavení cirkuluje roztavený kov z kanálu do lázně a naopak. K výměně teplejšího kovu za studenější dochází, pokud existuje teplotní rozdíl v kanálu a šachtě pece. V důsledku nedostatečné cirkulace kovu může být jeho teplota v kanálu o 100–200 K vyšší než teplota v lázni. Tato okolnost určuje především měrný výkon ICP, jejich produktivitu a také životnost obložení kanálu.
Rýže. 3.2. Indukční kanál
2 – roztavený kov;
3 – lázeň (důlní nebo kelímek);
4 – magnetické jádro;
5 – krbový kámen s kanálem pro odvod tepla
Kanál pro odvod tepla musí být neustále naplněn elektricky vodivým tělesem. Pro počáteční spuštění kanálových pecí se do kanálu nalije roztavený kov nebo se vloží šablona z materiálu, který se bude tavit v peci. Po dokončení tavení není kov zcela vypuštěn z pece a zůstává tak zvaná „bažina“, která zajišťuje naplnění kanálu pro odvod tepla pro následné spuštění. Indukční jednotky mohou být jednoduché nebo dvojité, s jedním nebo dvěma kanály na induktor (obr. 3.3). Výstelka kanálu je vyrobena z pěchovacích hmot různého složení v závislosti na taveném kovu nebo slitině.
K vypouštění kovu (obr. 3.4) přes odtokovou jímku (4) se pec sklápí pomocí hydraulického nebo elektrického pohonu. Pec je zatížena shora otvorem uzavřeným při tavení vyloženým víkem (5). Víko se zvedá pomocí hydraulického nebo elektrického pohonu. Kámen topeniště (10) je chlazen vzduchem pomocí ventilátoru (9) mezerou mezi induktorem a kamenem topeniště. Elektřina je dodávána do induktoru pomocí flexibilních kabelů.
Princip činnosti pece. Indukční pec je druh transformátoru, ve kterém je primárním vinutím induktor a sekundárním vinutím a zátěží je uzavřený kanál s roztaveným kovem. Takový transformátor pracuje ve zkratovém režimu, ve kterém je veškerá dodaná energie vynaložena na ohřev kovu. Když je induktor připojen k síti, střídavý proud vznikající v induktoru vytváří kolem něj
střídavé magnetické pole, které se uzavírá skrz ocelové jádro. Střídavý magnetický tok zase indukuje EMF v kovu kanálu, v důsledku čehož se v kovu kanálu objeví proud. Proud indukovaný v uzavřeném okruhu kanálu uvolní teplo v kanálu.
Hlavní typy kanálových kamen jsou uvedeny na Obr. 3.5.
V IKP typ dolu tavicí komora má tvar svislého válce, v jehož dně je připevněna tavicí jednotka (obr. 3.5, a). Při lití kovu se pec naklápí pomocí hydraulického zařízení.
V IKP typ bubnu Tavicí komora je vyrobena ve formě horizontálního válce. Montuje se na nápravy nebo válečky s různými pohony sklápěcího mechanismu. Pec má několik indukčních jednotek, které jsou instalovány ve spodní části pece (obr. 3.5,b).
Dvoukomorové kanálové pece vyrobeno se šikmými nebo vodorovně umístěnými kanály spojujícími dvě vany. V tomto případě se jedna z nich používá jako tavicí místnost a druhá jako výdejna (3.5, c).
Rýže. 3.3. Konstrukce indukčních jednotek kanálových pecí:
jediný; b – dvojitý
1 – podšívka; 2 – vodou chlazený plášť; 3 – magnetický obvod; 4 – induktor
Technické vlastnosti indukčních pecí. Při tavení druhotných zdrojů (údaje o slitinách mosazi) jsou nevratné ztráty 6-8%, měsíční produktivita je 70-90 tun.
Účiník indukčních pecí je cosφ = 0,2. 0,8. Menší hodnoty účiníku odpovídají ICP pro tavení kovů s nízkým měrným odporem (měď, hliník) a větší hodnoty – s vysokým měrným odporem (ocel, litina).
Pece jsou napájeny ze sítí s napětím 380 V a vyšším dle výkonu. Jádrové pece jsou k dispozici v jedno-, dvou- a třífázovém provedení s výkonem do 2000 kW. Na Obr. Obrázek 3.7 ukazuje schéma napájení průmyslového kmitočtu IPC z pecního transformátoru s napětím 10/0,4 kV. K induktoru je paralelně připojena kondenzátorová banka sestávající z neustále spínané sekce C a N řízených sekcí C1 – ZN.
Rýže. 3.4. Schéma a provedení IKP:
1 – kanál s roztaveným kovem; 2 – vrstvený magnetický obvod
7 – obložená vana; 8 – kov; 9 – ventilátor; 10 – krbový kámen
Rýže. 3.5. Hlavní typy struktur ICP:
a – důl; b – buben;
Technické vlastnosti některých moderních ICP
Maksim. teplota, °C
Kapacita trouby, kg
Indukční kelímkové pece (IFR) používá se k vysokorychlostnímu tavení železných a neželezných kovů, k tavení železných kovů. Pece pracují na různých frekvencích: průmyslové (50 Hz); střední (0,5-10 kHz) a vysoké (stovky až tisíce kHz).
Provoz bezjádrových pecí je rovněž založen na transformátorovém principu přenosu energie indukcí z primárního okruhu do sekundárního. Střídavá elektrická energie dodávaná do pece se přeměňuje na elektromagnetickou energii, která se v sekundárním okruhu přeměňuje na elektrickou energii a následně na tepelnou energii. Primární vinutí je induktor, sekundární vinutí a zátěž jsou roztavený kov naložený do kelímku a umístěn uvnitř induktoru. Magnetický tok prochází samotným nábojem, proto mají velký význam magnetické vlastnosti, ale i velikost a tvar nabitého náboje. Magnetická permeabilita pro feromagnetické materiály je poměrně vysoká a má konstantní hodnotu až do teploty 740-770 °C. V tomto případě náboj současně hraje roli otevřeného jádra. Poté, co teplota taveného materiálu překročí stanovené hodnoty, se provoz pece stává podobným provozu transformátoru bez jádra. Velikost EMF v každém závitu je úměrná frekvenci a velikosti magnetického toku. V nepřítomnosti jádra se vodivost pro magnetické silové vedení snižuje, takže frekvence střídavého proudu se zvyšuje.
Na Obr. Obrázek 3.8 ukazuje IHP bez jádra, které se skládá z induktoru (1) připojeného ke zdroji střídavého proudu, roztaveného kovu (2) umístěného uvnitř žáruvzdorného kelímku (3). U velkokapacitních kelímkových pecí je zajištěn vnější magnetický obvod (obr. 3.9). Do kelímku lze vložit jakoukoli dávku: slévárenský odpad, ingoty, drobné hobliny atd.
Induktory vyrobeno z měděné trubky (kulatého nebo čtvercového průřezu), chlazené vodou, nanesené v jedné vrstvě. Vinutí se skládá z několika cívek se samostatným vodním chlazením. Pece mohou být provozovány se zbytkem slitiny nebo bez ní (25-30 % kapacity kelímku).
Ve velkokapacitním ITP se používají napájecí zdroje průmyslové frekvence, střední a malé kapacity – vysoké a vysoké frekvence.
Nevodivé kelímky jsou vyrobeny z materiálů křemenec, magnezit a zirkon. Jsou umístěny uvnitř induktoru, neabsorbují energii magnetického pole a zároveň působí jako tepelné izolátory mezi roztaveným kovem a ochlazenými stěnami induktoru.
Rýže. 3.8. Indukční kelímková pec:
2 – roztavený kov;
Návrhy kelímkových pecí jsou na Obr. 3.9-3.11.
Rýže. 3.9. Schéma a konstrukce indukční kelímkové pece:
1 – induktor; 2 – roztavený kov; 3 – magnetický obvod;
4 – žáruvzdorný kelímek; 5 – zvedací kryt
Rýže. 3.10. Směr proudů v roztaveném kovu
Rýže. 3.11. Indukční kelímková pec s ocelovým kelímkem pro tavení hořčíku:
1 – induktor; 2 – magnetický vodič;
3 – vycpaná podšívka; 4 – ocelový kelímek
Elektricky vodivé kelímky jsou vyrobeny ze žáruvzdorných ocelí, legovaných litin a grafitů. Pohlcují největší část energie střídavého elektromagnetického pole. Ohřev před tavením je nepřímý: zářením (pro drcenou vsázku s nízkým faktorem plnění) a následným kontaktem. Vnější stěny takových kelímků musí být izolovány od vnitřních stěn induktoru.
Technické vlastnosti pece.
Celková účinnost kelímkové pece je 0,48–0,68. Účiník IHP сosφ = 0,05–0,3. Pro kompenzaci jalového výkonu je nutná instalace kondenzátorů. Výkon ITP může dosáhnout 4500.
Všechny tavicí pece patří do kategorie II elektrických přijímačů z hlediska spolehlivosti napájení.
Napájení vysokofrekvenčních a vysokofrekvenčních instalací je realizováno z tyristorových nebo induktorových strojních měničů.
Nová generace středofrekvenčních indukčních kelímkových pecí. Ruská elektrotechnologická společnost vyvinula řadu středofrekvenčních indukčních kelímkových pecí (IFRF) pro vysokorychlostní tavení železných a neželezných kovů, které splňují moderní požadavky hutní a slévárenské výroby. Nejlepší výkonnostní ukazatele IPS jsou do značné míry určeny optimální volbou geometrických parametrů induktoru, frekvence budicího proudu a měrného činného výkonu pro tavení konkrétního kovu, jakož i fyzikálními vlastnostmi a tloušťkou vyzdívky.
Pro tavení železných kovů vyrábí závod kelímkové pece řady IPP o kapacitě od 60 do 400 kg, pracující na frekvenci 2400 Hz. Technické vlastnosti těchto pecí jsou uvedeny v tabulce. 3.2.
