Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

180

Рис. 7.19. Сравнение необходимой конечной энергии для нагрева материа-

ла различными технологиями для последующей кузнечной обработки:

Для пламенного нагрева очень высока доля энергии, необходимой

для возмещения потерь металла (окалина). Кроме того, для пламенного на-

грева должно использоваться большее количество сырья из-за более силь-

ного окисления материала. Потребность в первичной энергии для индук-

ционного нагрева иногда может быть несколько выше, чем для традици-

онных технологий, но множество преимуществ компенсируют этот недос-

таток.

Другой пример снижения энергопотребления и CO

-эмиссии дает

сравнение различных технологий нагрева кромок стальных полос

(рис. 7.20).

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

181

Рис. 7.20. Сравнение необходимой конечной и первичной энергии,

а также CO

-эмиссии при нагреве стальной ленты:

Благодаря эффективности индукционного нагрева при его примене-

нии необходимая конечная энергия снижается на 80 % по сравнению с по-

казателями роликовой печи камерного типа и на 73 % – газовой пламенной

печи. Балансы требуемой первичной энергии и CO

-эмиссии также оказы-

ваются очень благоприятными для индукционного процесса, и, таким об-

разом, этой технологии должно быть отдано предпочтение. Становится яс-

но, что при использовании электротехнологий возможна значительная

экономия.

7.4. Индукционная плавка

Индукционная плавка – широко распространенный в черной и цвет-

ной металлургии процесс. Плавка в устройствах с индукционным нагревом

нередко превосходит плавку в топливных печах по эффективности исполь-

зования энергии, качеству продукта и гибкости производства. Эти пре-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

182

имущества обусловлены специфическими физическими характеристиками

индукционных печей.

Основные положения

При индукционной плавке происходит перевод твердого материала в

жидкую фазу под воздействием электромагнитного поля. Так же как в слу-

чае индукционного нагрева, тепло выделяется в расплавляемом материале

вследствие эффекта Джоуля от наведенных вихревых токов. Первичный

ток, проходящий через индуктор, создает электромагнитное поле. Вне за-

висимости от того, концентрируется электромагнитное поле магнитопро-

водами или нет, связанная система индуктор – загрузка может быть пред-

ставлена как трансформатор с магнитопроводом или как воздушный

трансформатор. Электрический КПД системы сильно зависит от влияющих

на поле характеристик ферромагнитных конструктивных элементов.

Наряду с электромагнитными и тепловыми явлениями в процессе

индукционной плавки важную роль играют электродинамические силы.

Эти силы должны учитываться, особенно в случае плавки в мощных ин-

дукционных печах. Взаимодействие индуктированных электрических то-

ков в расплаве с результирующим магнитным полем вызывает механиче-

скую силу (силу Лоренца)

BSf

×=

, (7.12)

которая изменяется от нуля до максимального значения с удвоенной час-

тотой источника питания. Вследствие инерции массы расплава на него

действует только усредненная во времени составляющая силы. Действие ее

проявляется двояко. Во-первых, электромагнитное давление может при-

вести к деформации поверхности расплава. Во-вторых, если силы в рас-

плаве имеют вихревой характер, это заставляет расплав двигаться соответ-

ствующим образом (рис. 7.21). Наряду с описанным прямым действием

сил на расплав происходят вторичные процессы тепло- и массопереноса.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

183

Рис. 7.21. Действие электромагнитных сил

Например, вызванное силами турбулентное движение расплава име-

ет очень большое значение как для хорошего теплообмена, так и для пере-

мешивания и адгезии непроводящих частиц, находящихся в расплаве.

Применение индукционных печей

Различают два основных типа индукционных печей: индукционные

тигельные печи (ИТП) и индукционные канальные печи (ИКП). В ИТП

расплавляемый материал обычно загружается кусками в тигель (рис. 7.22).

Индуктор охватывает тигель и расплавляемый материал. Из-за отсутствия

концентрирующего поля магнитопровода электромагнитная связь между

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

184

индуктором и загрузкой сильно зависит от толщины стенки керамического

тигля. Для обеспечения высокого электрического КПД изоляция должна

быть как можно тоньше. С другой стороны, футеровка должна быть доста-

точно толстой для того, чтобы противостоять термическим напряжениям и

движению металла. Следовательно, следует искать компромисс между

электрическими и прочностными критериями.

Рис. 7.22. Схема индукционной тигельной печи

Важными характеристиками индукционной плавки в ИТП являются

движение расплава и мениск как результат воздействия электромагнитных

сил. Движение расплава обеспечивает как равномерное распределение

температуры, так и однородный химический состав. Эффект перемешива-

ния у поверхности расплава снижает потери материала во время дозагруз-

ки малоразмерной шихты и добавок. Несмотря на использование дешевого

материала воспроизводство расплава постоянного состава обеспечивает

высокое качество литья.

В зависимости от размеров, рода расплавляемого материала и облас-

ти применения ИТП работают на промышленной частоте (50 Гц) или сред-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

185

них частотах до 1000 Гц. Последние приобретают все более важное значе-

ние благодаря высокой эффективности при плавке чугуна и алюминия. По-

скольку движение расплава при постоянной мощности ослабляется с по-

вышением частоты, на более высоких частотах становятся доступными бо-

лее высокие удельные мощности и, как следствие, большая производи-

тельность. Вследствие более высокой мощности сокращается время плав-

ки, что ведет к повышению КПД процесса (по сравнению с печами, рабо-

тающими на промышленной частоте). С учетом других технологических

преимуществ, таких как гибкость при смене выплавляемых материалов,

среднечастотные ИТП разработаны как мощные плавильные установки,

доминирующие в настоящее время в чугунолитейном производстве. Со-

временные мощные среднечастотные ИТП для плавки чугуна имеют ем-

кость до 12 т и мощность до 10 МВт. ИТП промышленной частоты разра-

батываются для больших емкостей, чем среднечастотные, до 150 т для

плавки чугуна. Интенсивное перемешивание ванны имеет особое значение

при выплавке однородных сплавов, например латуни, поэтому в этой об-

ласти широко используются ИТП промышленной частоты. Наряду с при-

менением тигельных печей для плавки в настоящее время их используют

также для выдержки жидкого металла перед разливкой.

В соответствии с энергетическим балансом ИТП (рис. 7.23) уровень

электрического КПД почти для всех типов печей составляет около 0,8.

Приблизительно 20 % исходной энергии теряется в индукторе в виде Джо-

улева тепла. Отношение тепловых потерь через стенки тигля к индуктиро-

ванной в расплаве электрической энергии достигает 10 %, поэтому полный

КПД печи составляет около 0,7.

Вторым широко распространенным типом индукционных печей яв-

ляются ИКП. Они применяются для литья, выдержки и, особенно, плавки в

черной и цветной металлургии. ИКП в общем случае состоит из керамиче-

ской ванны и одной или нескольких индукционных единиц (рис. 7.24). В

принципе, индукционная единица может быть представлена как трансфор-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

186

матор с ферромагнитным сердечником. Индуктор является его первичной

обмоткой, а заполненный расплавом канал, устья которого открываются в

ванну, представляет собой вторичный короткозамкнутый виток.

Рис. 7.23. Энергетический баланс ИТП

Принцип действия ИКП требует наличия постоянно замкнутого вто-

ричного витка, поэтому эти печи работают с жидким остатком расплава.

Полезное тепло генерируется главным образом в канале, имеющем малое

сечение. Циркуляция расплава под действием электромагнитных и терми-

ческих сил обеспечивает достаточный перенос тепла в основную массу

расплава, находящуюся в ванне. До настоящего времени ИКП проектиро-

вались на промышленную частоту, однако исследовательские работы про-

водятся и для более высоких частот. Благодаря компактной конструкции

печи и очень хорошей электромагнитной связи ее электрический КПД дос-

тигает 95%, а общий КПД – 80 % и даже 90 % в зависимости от расплав-

ляемого материала.

В соответствии с технологическими условиями в разных областях

применения ИКП требуются различные конструкции индукционных кана-

лов. Одноканальные печи используются в основном для выдержки и литья,

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

187

реже плавки стали при установленных мощностях до 3 МВт. Для плавки и

выдержки цветных металлов предпочтительнее двухканальные конструк-

ции, обеспечивающие лучшее использование энергии. В установках для

плавки алюминия каналы выполняются прямыми для удобства очистки.

Производство алюминия, меди, латуни и их сплавов является основ-

ной областью применения ИКП. Сегодня наиболее мощные ИКП емкостью

до 70 т и мощностью до 3 МВт используются для плавки алюминия. Наря-

ду с высоким электрическим КПД в производстве алюминия очень важны

низкие потери расплава, что и предопределяет выбор ИКП.

Рис. 7.24. Схема индукционной канальной печи

Перспективными применениями технологии индукционной плавки

являются производство высокочистых металлов, таких как титан и его

сплавы, в индукционных печах с холодным тиглем и плавка керамики, на-

пример силиката циркония и оксида циркония.

Экономика

При плавке в индукционных печах ярко проявляются преимущества

индукционного нагрева, такие как высокая плотность энергии и произво-

дительность, гомогенизация расплава благодаря перемешиванию, точный

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

188

энергетический и температурный контроль, а также простота автоматиче-

ского управления процессом, легкость ручного управления и большая гиб-

кость. Высокие электрический и тепловой КПД в сочетании с низкими по-

терями расплава и, следовательно, экономией сырья обусловливают низ-

кий удельный расход энергии и экологическую конкурентоспособность.

Превосходство индукционных плавильных устройств над топливны-

ми непрерывно возрастает благодаря практическим исследованиям, под-

крепленным численными методами решения электромагнитной и гидроди-

намической задач. В качестве примера можно отметить внутреннее покры-

тие медными полосами стального кожуха ИКП для плавки меди. Умень-

шение потерь от вихревых токов повысило КПД печи на 8 %, и он достиг

92 %.

Дальнейшее улучшение экономических показателей индукционной

плавки возможно за счет применения современных технологий управле-

ния, таких как тандем или управление двойным питанием. Две ИТП тан-

дема имеют один источник питания, и пока в одной идет плавка, в другой

расплавленный металл выдерживается для разливки. Переключение источ-

ника питания с одной печи на другую повышает коэффициент его исполь-

зования. Дальнейшим развитием этого принципа является управление

двойным питанием (рис. 7.25), которое обеспечивает продолжительную

одновременную работу печей без переключения с помощью специальной

автоматики управления процессом. Следует также отметить, что неотъем-

лемой частью экономики плавки является компенсация общей реактивной

мощности.

В заключение для демонстрации преимуществ энерго- и материалос-

берегающей индукционной технологии можно сравнить топливный и элек-

тротермический способы плавки алюминия. Рис. 7.26 показывает значи-

тельное снижение энергопотребления на тонну алюминия при плавке в

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

189

Рис. 7.25. Принцип управления двойным питанием

Рис. 7.26. Потребление энергии и CO

-эмиссия при производстве

алюминия в больших печах: