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.
Provoz kelímkové pece je založen na transformátorovém principu přenosu energie indukcí z primárního okruhu do sekundárního. Střídavá elektrická energie přiváděná do primárního okruhu se přeměňuje na elektromagnetickou energii, která se v sekundárním okruhu přeměňuje zpět na elektrickou energii a následně na tepelnou energii.
Kelímkové indukční pece se také nazývají indukční pece bez jádra. Pec je tavicí kelímek, obvykle válcového tvaru, vyrobený ze žáruvzdorného materiálu a umístěný v dutině induktoru připojeného ke zdroji střídavého proudu (obr. 4.4). Kovová vsázka (materiál určený k tavení) se vloží do kelímku a absorbuje elektrickou energii a roztaví se. V kelímkové peci (obr. 4.4) je primárním vinutím induktor obtékající střídavý proud a sekundárním vinutím a zároveň zátěží je samotný roztavený kov, vložený do kelímku a umístěný uvnitř induktoru.
Magnetický tok v kelímkové peci prochází do jednoho nebo druhého stupně samotnou vsázkou. Pro provoz pece bez jádra jsou proto magnetické vlastnosti a také velikost a tvar kusů vsázky velmi důležité.
Rýže. 4.4. – Indukční tavení kovů v kelímkové peci.
1 – induktor; 2 – tavenina; 3 – žáruvzdorný kelímek.
4.4. Fyzikálně-chemické vlastnosti procesu
Charakter fyzikálních a chemických procesů indukčního tavení oceli je dán především charakteristikou dodávky tepla. U indukčního ohřevu se rozlišují tyto druhy ohřevu: H, při kterém je energie předávána ohřívanému tělesu magnetickou složkou (vektor H) rychle se střídajícího magnetického pole a E, kdy je energie přenášena elektrickou složkou ( vektor E). U všech typů indukčního ohřevu se teplo uvolňuje proudy, jejichž fáze se shoduje s vektorem elektrického napětí (vektor E) působícím ve vytápěném objektu. Při H-topení tvoří proudy ve vytápěném objektu uzavřené okruhy (vířivé proudy). Při E-ohřevu se vodivé proudy ve vytápěném objektu neuzavírají, ale pokračují vně objektu posuvnými proudy. Induktor je H-ohřívač. Rozložení tepla v předmětu při H-ohřevu závisí na struktuře magnetického pole, dané tvary vodiče a ohřívaného předmětu a jejich vzájemnou polohou.
Když jsou celkové rozměry ohřívaného předmětu větší než délka elektromagnetické vlny (ve volném prostoru), indukční ohřev je vytvářen současně elektrickou a magnetickou složkou.
Vsázka, ohřátá a poté roztavená v kelímku pece, je vždy ve střídavém elektromagnetickém poli induktoru.
Nepřítomnost plynného chladiva během indukčního tavení umožňuje provádění procesu v jakékoli požadované a prakticky dostupné atmosféře (vzduch, vakuum nebo speciálně indukovaná a řízená atmosféra).
Doba tavení vsázky při indukčním tavení je velmi krátká. Vysoká rychlost tavení v kombinaci s příznivou atmosférou nám umožňuje minimalizovat ztráty slitinových složek v důsledku odpadu.
Na rozdíl od tavení v elektrických obloukových pecích, indukční tavení nezahrnuje grafitové elektrody nebo elektrické oblouky obsahující molekuly uhlíku, aktivního dusíku a jiných plynů. Díky tomu odpadá nebezpečí nauhličování oceli a její nasycení plyny.
Charakter fyzikálních a chemických procesů, zejména při tavení vysoce kvalitních ocelí, je značně ovlivněn intenzivním promícháváním tekutého kovu, ke kterému dochází vlivem elektrodynamických sil, které vznikají vlivem elektromagnetického pole induktoru. Takové míchání umožňuje rychle a efektivně vyrovnat chemické složení tekutého kovu v objemu kelímku, navíc usnadňuje odplyňování a plavení nekovových vměstků.
Na povrchu taveniny je proudová hustota maximální a od okrajů ke středu klesá.
Tento jev nerovnoměrného rozložení střídavého elektrického proudu po průřezu vodiče se nazývá „povrchový efekt“ (z anglického slova skin effect). Důvodem skinefektu je, že vnitřní části vodiče jsou obklopeny největším počtem magnetických čar a mají významnou indukčnost a vysokou reaktanci. Úseky průřezu blíže středu tedy prochází proud, jehož velikost je menší než proud procházející povrchovými vrstvami. Kožní efekt závisí na frekvenci střídavého proudu. Čím vyšší je frekvence, tím větší je.
Důsledkem povrchového efektu za podmínek indukčního tavení kelímku je vyšší teplota u stěn kelímku a nižší ve středu. Elektrodynamické míchání zajišťuje vyrovnání teploty kovu v objemu kelímku.
Charakteristickým rysem indukčního tavení kelímku, v důsledku skutečnosti, že proud v induktoru a roztavený kov proudí různými směry, je tvorba nápadného konvexního menisku, tzv. hřebenatky. Pokud musí být hřebenatka podle podmínek tavení izolována od vnějšího prostředí, je nutné zvětšit tloušťku struskového krytu.
Kontinuální míchání taveniny v peci je významnou fyzikální a chemickou výhodou procesu, urychlující vznik všech difúzních procesů.
Teplota strusky při indukčním tavení je obvykle nižší než teplota kovu, takže struska zde vzhledem k samotné povaze procesu na rozdíl od jiných ocelářských procesů hraje poměrně pasivní roli. Zde mají také omezený význam výměnné metalurgické reakce mezi struskou a kovem. Při indukčním tavení je charakter procesu určen pouze charakteristikou kontaktu a interakce taveniny s vyzdívkou a atmosférou pece.
Zajímavostí procesu, na rozdíl od tavení na otevřeném ohni a tavení v elektrických obloukových pecích, je také fakt, že teplota kovu dosahuje maximálních hodnot nikoli na povrchu, ale ve spodní části kelímku. . K tavení žáruvzdorných a těžko legujících materiálů zde tedy dochází rychleji a s menšími ztrátami a v oceli jsou rovnoměrněji distribuovány v relativně kratším časovém úseku. To je do značné míry usnadněno elektrodynamickým mícháním. Z hlediska možnosti regulace teploty kovu je nejlépe regulovatelné indukční tavení.
Relativní snadnost řízení teplotního režimu tavení podporuje tok mnoha fyzikálních a chemických procesů v požadovaném směru, což je důležité zejména při tavení speciálních ocelí a slitin pro složité a tenkostěnné odlitky.
Tavicí proces v indukčních pecích obvykle probíhá za podmínek charakterizovaných nedostatkem kyslíku. To na jedné straně způsobuje nízký odpad a na druhé straně omezuje provádění oxidačních procesů. Při výběru vsázky by se proto mělo vycházet z toho, že proces tavení se redukuje pouze na přetavení vsázky.
Nejúspornější je tavení, při kterém dochází k roztavení složek vsázky. Vypočítává se na základě získání požadovaného chemického složení slitiny po jejím roztavení (v případě potřeby legování).
Indukční pece mohou mít kyselé nebo zásadité vyzdívky. Tavení v pecích s hlavní vyzdívkou umožňuje získat ocel s menším množstvím oxidických nekovových vměstků. Při tavení v pecích vyložených kyselinou je obtížnější získat ocel s nízkým obsahem křemíku.
Vysoce legované oceli obsahující vysokou koncentraci prvků, jako je mangan, titan a hliník, jsou vhodnější pro tavení v pecích s hlavní vyzdívkou.
Zvláštnosti výroby vyzdívek pecí a jejich intenzivní styk s kovem určují větší možnost výměnných reakcí mezi kovovou taveninou a žáruvzdornými složkami než u jiných procesů. Pečlivé řízení takového procesu je zvláště nutné při vakuovém tavení.
