Избор на честота на тока за захранване на индукционни тигелни пещи
Използването на промишлен честотен ток за захранване на индукционни тигелни топилни пещи изглежда на пръв поглед най-рационално от гледна точка на спестяване на разходи, тъй като не изисква разходите, свързани с закупуването на честотен преобразувател и загуби на енергия по време на неговата работа. При решаването на електрически проблеми обаче има ограничения за използването на ток с промишлена честота за индукционни тигелни пещи. В допълнение, използването на високочестотни токове позволява да се подобри ефективността на топене и по-специално да се увеличи неговата производителност и да се намалят металните отпадъци.
За да изясним връзката между свойствата на заряда на тигела и необходимата честота на захранващия ток, ще използваме заключенията на теорията на индукционното нагряване и четири формули, които ще бъдат дадени без извод.
По време на дълъг период на топене (от разтопяването на заряда до отделянето на метала) зарядът на тигела е твърдо метално тяло, близко по форма до цилиндър. В теорията на индукционното нагряване е показано, че дебелината на повърхностния слой Te, в който циркулират вихрови токове, зависи от специфичното електрическо съпротивление на метала p, неговата относителна магнитна проницаемост r и честота на тока , Тази стойност, наречена дълбочина на проникване на тока, се определя по формулата
където размерите на Ae са m; p - Omm; / - Hz. От формулата следва, че с увеличаване на честотата на тока дълбочината на проникване намалява. Стопилки с ниско електрическо съпротивление (на базата на мед и алуминий) се характеризират с по-малка дълбочина на проникване на ток от чугуните и стоманите. Важно е да се отбележи, че при нагряване на магнитни стомани и чугуни дълбочината на проникване на тока в тях се увеличава около 10 пъти при преминаване през точката на Кюри (730-760 ° C, в зависимост от марката на сплавта). Товасе обяснява с факта, че относителната магнитна проницаемост на феромагнетиците nr намалява в този случай от 100 на 1.
Изчисленията, потвърдени от практиката, показват, че за да се получи задоволителна ефективност на индукционното нагряване, диаметърът на нагретия цилиндър трябва да надвишава дълбочината на проникване най-малко 4–5 пъти, т.е.
Общоприето е, че в този случай системата индуктор-заряд работи в областта на ясно изразен повърхностен ефект, т.е. в нагрятото тяло има повърхностен токопроводящ слой и сърцевина, стойността на тока в която може да бъде пренебрегната.
Цилиндър с по-малък диаметър, поставен в индуктор, се оказва "прозрачен" за електромагнитните вълни, т.е., преминавайки през него, те не предизвикват значително нагряване. Това явление се използва при проектирането на трансформаторни ядра, които, за разлика от заряда, не трябва да се нагряват. Следователно сърцевините са направени не твърди, а сглобяеми от плочи, чиято дебелина е много по-малка от текущата дълбочина на проникване. Сърцевините са електрически изолирани един от друг с лак или чрез фосфатиране.
Използвайки съотношения (12.1) и (12.2), определяме минималния диаметър на тигела на пещ за топене на желязо, работеща при ток с индустриална честота от 50 Hz. За да направите това, във формулата (12.1) заместваме стойностите на електромагнитните характеристики на течното желязоguna * Рzh.ch\u003d 1D-I) "6 Omm; относителна магнитна пропускливост yg \u003d 1; честота на тока / \u003d 50 Hz. В този случай дълбочината на проникване Te се оказва равна на 0,081 m, или 81 мм.
Следователно минималният диаметър на тигела на индукционната пещ с мощностна честота съгласно (12.2) трябва да бъде: dn>gt; > (4. 5) • 81 = 324. 405 mm. Изпълнението на това условие осигурява възможност за прегряване на течния метал в пещта с минимално приемлива ефективност.
На практика индукционните пещи с индустриална честота имат диаметър на тигела най-малко 500 mm и капацитет най-малко 1 тон.
Въпреки това е практически невъзможно да се стартира такава пещ с конвенционален твърд заряд, тъй като размерите на парчетата заряд, използвани в чугунолеярната, са много по-малки от 324 400 mm. Нагряването на реален заряд при ток с мощностна честота е възможно (и много ефективно, както ще бъде показано по-долу) само до температурата на точката на Кюри. В резултат на това топенето в пещи с индустриална честота се извършва с помощта на преходна баня (топене с "блато"). За да направите това, по време на освобождаването на предишната стопилка, така нареченото „блато“ се оставя в тигела - най-малко 1/3 от обема течен метал, а по време на следващото топене топлината, отделена в „блатото“, се прехвърля към твърдия заряд, който, когато се зареди в пещта, се потапя в течен метал.
Технологията за топене на желязо в пещи с индустриална честота с "блато" изисква задължително отстраняване на влага, масла и емулсии от повърхността на шихтата, за да се избегнат емисии на течен метал по време на натоварване. За да направите това, сместа се нагрява с газ до температури от около 500 ° C в специални нагревателни вани.
Първото топене в студена пещ при липса на течен метал в цеха се извършва с помощта на изходни заготовки. Те са слитъци, чийто диаметър е близък до диаметъра на тигела и следователно отговаря на условието за ефективно индукционно нагряване.
В момента има индукционни пещи за топене на чугун с индустриална честота с капацитет от 1 до 60 тона, които имат буквен индекс ICHT (induction iron-melting crucible furnace) в българските каталози. Цифрите, посочени след този индекс, показват капацитета на тигела в тонове и чрез наклонена черта мощността на пещта в мегавати, например IChT-31 / 7.1.
Ако отусловия на производство, топенето на чугун в индукционни тигелни пещи трябва да се извършва на твърд заряд без преходна баня, честотата на тока за тези пещи трябва да съответства на размера на използваните парчета от сместа. В този случай се счита, че размерът на всяко парче трябва да отговаря на условието на уравнение (12.2).
Компонентът на шихтата, необходим за претопяване в леярната, е леярът и по-специално неговият щранг. Диаметърът на щранга в условията на автомобилно леене може да се приеме приблизително равен на 40 mm. Тогава текущата дълбочина на проникване, съгласно условие (12.2), трябва да бъде около 10 mm, т.е. 0,01 м
Решавайки уравнение (12.1) по отношение на / и замествайки в него Ae = = 0,01 m, получаваме, че текущата честота трябва да бъде около 2400 Hz. Именно на тази честота работят пещи с капацитет 60 400 кг за топене на стомана и чугун.
Изчисленията, извършени от G.I. Babat, показват, че при постоянен ток в индуктора най-високата специфична мощност (т.е. мощност на единица обем метал) се отделя в парчета, които имат формата на цилиндър, чийто диаметър е 3,5 AE. За парчета заряд под формата на плочи максималната специфична мощност съответства на условието: дебелина на плочата 5 = 2,5AE, за топка нейният диаметърd= 4,8AE.
Следователно оптималният заряд за топене при честота 2400 Hz ще бъде цилиндрични парчета с диаметър 35 mm, плочи с дебелина 25 mm или сферични парчета с диаметър 50 mm.
Пещите с капацитет от 1 тон чугун или стомана работят на честота 1000 Hz. Намаляването на честотата в сравнение с изчислената е възможно поради факта, че в тигели с такъв капацитет парчетата от заряда се нагряват не само поотделно под действието на индуцирани в тях токове, но и в резултат на преходни контакти между парчетата. Тези контакти водят дообразуването на затворени електрически вериги с голямо напречно сечение, през които циркулират индуктивни токове.
Легираните чугуни за отливки се топят в сравнително малки количества, поради което за тяхното топене се използват средночестотни пещи от серията IST (индукционен тигел за топене на стомана).