Индукционно топене на метал - Физика
Федерална агенция за образование
Южен Уралски държавен университет
Катедра по обща и теоретична физика
"Индукционно топене на метал"
Изпълнил: студент гр.ФМ-223
Проверява: доцент от катедра О.Т.Ф.
Явлението електромагнитна индукция3
Приложение в металургията4
Топене на стомана в индукционни пещи4
Индукционни пещи с индустриална честота12
Топене в облицована с киселина пещ.13
Топене във вакуумни индукционни пещи.13
Феноменът на електромагнитната индукция
Електрическите токове създават около тях магнитно поле. Връзката на магнитното поле с тока доведе до многобройни опити за възбуждане на тока във веригата с помощта на магнитно поле. Този фундаментален проблем е брилянтно решен през 1831 г. от английския физик М. Фарадей, който открива явлението електромагнитна индукция. Той се крие във факта, че в затворена проводяща верига, когато потокът на магнитна индукция, обхванат от тази верига, се промени, възниква електрически ток, наречен индукция.
Помислете за класическите експерименти на Фарадей, с помощта на които е открито явлението електромагнитна индукция.
Опит I. Ако постоянен магнит се вмъкне или разшири в соленоид, затворен към галванометър, тогава в моментите на неговото вкарване или удължаване се наблюдава отклонение на налягането на галванометъра (възниква индукционен ток); посоките на отклонение на стрелката при удължаване и удължаване на магнита са противоположни. Отклонението на стрелката на галванометъра е толкова по-голямо, колкото по-голяма е скоростта на магнита спрямо намотката. Когато промените полюсите на магнита, посоката на отклонение на стрелката ще се промени. За да се получи индукционен ток, магнитът може да бъде оставен неподвижен, тогава е необходимо спрямо магнитапреместете соленоида.
Опит ll. Краищата на едната намотка, вкарани една в друга, са свързани към галванометъра, а през другата намотка се пропуска ток. Отклонението на стрелката на галванометъра се наблюдава в моментите на включване или изключване на тока, в моментите на неговото увеличаване или намаляване или когато намотките се движат една спрямо друга. Посоките на отклонената стрелка на галванометъра също са противоположни, когато токът се включва или изключва, той се увеличава или намалява, бобините се приближават или отдалечават.
Обобщавайки резултатите от многобройните си експерименти, Фарадей стига до извода, че индукционен ток винаги възниква, когато има промяна в потока на магнитната индукция, свързана с веригата. Например, когато затворена проводяща верига се върти в еднородно магнитно поле, в нея също възниква индукционен ток. В този случай индукцията на магнитното поле в близост до проводника остава постоянна и се променя само потокът на магнитна индукция през веригата.
Също така емпирично е установено, че стойността на индукционния ток изобщо не зависи от метода на промяна на потока на магнитната индукция, а се определя само от скоростта на промяната му (в експериментите на Фарадей също е доказано, че отклонението на стрелката на галванометъра (силата на тока) е толкова по-голямо, колкото по-голяма е скоростта на магнита или скоростта на промяна на силата на тока или скоростта на намотките).
Приложение в металургията
Топене на стомана в индукционни пещи
През индуктора преминава променлив ток; променливият магнитен поток, създаден в същото време вътре в индуктора (фиг. 1), индуцира вихрови токове в метала, коитоосигуряват нагряване и топене.
Линии на магнитното поле в индукционна пещ 1
За да не се увеличи прекомерно мощността на генератора, захранващ пещта, във веригата на пещта са включени кондензатори, за да компенсират индуктивното съпротивление на индуктора. Както знаете, наличието на индуктивно съпротивление във веригата за променлив ток предизвиква фазово изместване (големината на тока изостава от величината на напрежението), в резултат на което факторът на мощността на инсталацията cos(f) намалява. Капацитетът причинява обратно фазово изместване; чрез избиране на капацитета на кондензаторите, те постигат настройка на инсталацията към резонанс, когато ъгълът на фазово изместване f се доближава до нула, а cos f се доближава до 1. Колкото по-висока е честотата, толкова по-малък е капацитетът на кондензаторната банка.
Важна характеристика на индукционните пещи е интензивната циркулация на течен метал, причинена от взаимодействието на електромагнитни полета, възбудени от една страна от токове, преминаващи през индуктора, и от друга страна, от вихрови токове в метала.
Естеството на циркулационните потоци е показано на фиг. 2. Положителната страна на това явление е, че поради смесването се ускорява топенето и изравняването на състава и температурата на метала, отрицателната страна е, че повърхността на метала; се оказва изпъкнал и може да бъде изложен, тъй като шлаката се стича към стените на тигела. Интензитетът на смесване е приблизително пропорционален на квадрата на ампер-оборотите (In) - и обратно пропорционален на честотата на захранващия ток.
Ориз. 2.
метал в тигела на индукционна пещ.
Друга особеност на индукционните пещи е, че плътността на индуцираните токове достига максимум върху металната повърхност близо до стените на тигела и намалява към оста на тигела („повърхностен ефект“). В този повърхностен слой се отделя най-голямо количество топлина, поради коетосместа се разтапя. Дебелината на метален слой с висока плътност на индуцирани токове е обратно пропорционална на корен квадратен от честотата.
Индукционните пещи имат следните предимства пред дъговите пещи:
1) няма високотемпературни дъги, което намалява абсорбцията на водород и азот и метални отпадъци по време на топене;
2) незначителни отпадъци от легиращи елементи по време на претопяването на легирани отпадъци;
3) малки размери на пещите, които позволяват поставянето им в затворени камери и провеждане на топене във вакуум или в атмосфера на инертен газ;
4) електродинамично смесване, което помага да се получи метал, който е хомогенен по състав и температура. Основните недостатъци на индукционните пещи са ниското съпротивление на основната облицовка и ниската температура на шлаката, която се нагрява от метала; поради студени шлаки, отстраняването на фосфор и сяра по време на топене е трудно.
Индукционните пещи са разделени на два вида:
1) захранван от ток с повишена честота;
2) захранван от ток с индустриална честота (50 Hz).
В пещите от първия тип честотата на захранващия ток обикновено се намалява; С нарастването на капацитета и диаметъра на тигела; малки (няколко килограма или по-малко) пещи се захранват с ток с честота от 50 до 1000 kHz, средни и големи (с капацитет до десетки тона) с токове с честота 0,5-10 kHz.