Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

В качестве привода исполнительных механизмов применяют шунтовые двигатели постоянного тока, дающие возможность плавно изменять число оборотов, легко и быстро осуществлять остановку, сводить до минимума время, необходимое для изменения направления вращения. Двигатели питаются током от усилителей автоматических регуляторов. 

Общие сведения об индукционных печах

В основе индукционного нагрева  лежит принцип работы трансформатора: под действием переменного магнитного поля, создаваемого индуктором (первичной  обмоткой), в нагреваемом металле, являющемся вторичной обмоткой и  одновременно нагрузкой, индуцируется электродвижущая сила (э. д. с.). Под действием наводимой в металле э. д. с. в металле циркулирует ток. За счет джоулева тепла, выделяющегося в металле при прохождении тока, металл разогревается и плавится.

Из теории трансформатора известно, что наводимая во вторичной обмотке  э. д. с. пропорциональна магнитному потоку, пересекающему плоскость  витков обмотки, частоте изменений  магнитного потока и числу витков вторичной обмотки.

Величина коэффициента пропорциональности а определяется характером изменения магнитного потока во времени. При питании первичной обмотки синусоидальным током

а = 4,44.

Расплавленный металл, а также плотно уложенная шихта как вторичная  обмотка индукционной печи представляют собой единый контур, поэтому для  печей

Е2 = 4.44Ф/10-8 В. (18)

Таким образом, увеличить наводимую  в металле э. д. с. можно, увеличивая либо магнитный поток, либо частоту  питающего тока.

Первые индукционные печи появились  в то время, когда еще не было экономичных  генераторов тока высокой частоты. Поэтому получение необходимой  в металле мощности достигалось  в результате обеспечения большого магнитного потока.

Создаваемый индуктором магнитный  поток не весь проходит через сечение  металла. Часть магнитных силовых  линий замыкается вокруг витков индуктора, образуя поток рассеивания. Уменьшить  долю этого потока и увеличить  полезный магнитный поток можно, если по аналоги с трансформатором  внутрь индуктора вставить магнитопровод.

Первая индукционная печь работала на промышленной частоте и была действительно  очень похожа на трансформатор, отличаясь  тем, что и первичная (индуктор), и  вторичная (кольцо расплавленного металла) обмотки были расположены вокруг одного ярма сердечника.

Усовершенствование конструкции  печей с сердечником привело  в дальнейшем к появлению печей  с вертикальным закрытым каналом

Отделение плавильного пространства от канала сделало эти печи более  удобными в технологическом отношении  и позволило питать их трехфазным током промышленной частоты. Эти печи могут потреблять более высокую удельную мощность и характеризуются высоким электрическим к. п. д.

Наличие над каналами, в которых  нагревается металл, большого объема относительно холодного металла  обеспечивает низкий угар элементов, так  как пары, образующиеся в каналах, конденсируются в зонах плавильного  объема с более низкой температурой. Интенсивная циркуляция металла, вызываемая электромагнитными и тепловыми  силами, ускоряет процесс плавки и  обеспечивает получение металла  однородного состава.

Эти качества индукционной печи со стальным сердечником и закрытым каналом  делают ее непревзойденным электрическим  плавильным агрегатом. Однако широкое  распространение этих печей ограничивается низкой стойкостью футеровки канала, работающей в очень тяжелых условиях. Печи этого типа не нашли применения для плавления черных металлов, требующих  нагрева до высоких температур, но широко распространены в цветной  металлургии, где не требуется нагревать  расплав до таких высоких температур и важно обеспечить низкий угар дорогих  цветных металлов. Их применяют для  плавки меди, алюминия, никеля, магния, цинка и сплавов. В Италии, Швеции, США и некоторых других странах  такие печи используют также для  получения высококачественного  чугуна в литейных цехах.

В индукционных печах без сердечника переплавляемый металл загружается  в тигель, установленный внутрь индуктора. Разместить замкнутый сердечник  в этом случае невозможно, в связи с чем значительная часть магнитных силовых линий замыкается по воздуху, величина полезного магнитного потока мала, и для получения в металле необходимой э. д. с. необходимо увеличивать частоту питающего тока.

Применение печей такого типа на первых порах сдерживалось отсутствием  экономичных генераторов высокой  частоты. Толчком к внедрению  в широком масштабе индукционных тигельных печей послужило стремительное  развитие радиотехники, в результате чего были созданы различные генераторы высокой и повышенной, частоты.

Преимущества тигельных печей  по сравнению с канальными связаны главным образом с отсутствием канала. Это значительно упрощает конструкцию печи, позволяет полностью сливать жидкий металл (в канальных печах часть жидкого металла необходимо оставлять для замыкания кольца в начале плавки), облегчает осмотр и ремонт поврежденных участков огнеупоров футеровки. Условия службы футеровки тигля значительно легче, чем футеровки канала. 

Это дает возможность выплавлять в  тигельных печах более тугоплавкие  металлы и от плавки к плавке менять состав металла, что особенно важно  при производстве стали. Тем самым устраняются ограничения, делающие нецелесообразной плавку стали в индукционных канальных печах.

Но сравнительно большое расстояние между индуктором и металлом в  тигле вызывает появление значительной индуктивной мощности, снижающей  общий cos ср. Для компенсации индуктивной мощности индукционные тигельные печи снабжают конденсаторными батареями наличие преобразователя частоты и конденсаторов существенно удорожает установку и ограничивает область применения таких печей. В них целесообразно плавить лишь металлы и сплавы, которые невозможно или неэкономично плавить в других агрегатах.

Тигельные печи получили распространение  в металлургии специальных сталей и сплавов. Их использование для  этих целей связано с преимуществами индукционного нагрева, когда тепло  выделяется в самом нагреваемом  металле. Отсутствие концентрированного внешнего источника тепла позволяет  получать стали и сплавы высокой  степени чистоты, например по углероду и газам, обеспечивает высокое и стабильное усвоение легирующих добавок, что особенно важно при производстве сталей и сплавов с дорогими и редкими добавками.

Электродинамическое движение металла  гарантирует получение однородного  сплава с точно заданным химическим составом. Кроме того, индукционные тигельные печи при небольших  габаритах отличаются высокой производительностью, обеспечивают сравнительно легкие и  гигиеничные условия труда, процесс  плавления в них легко поддается  регулированию в широких пределах.

Основным технологическим недостатком  индукционных печей всех типов является малая активность шлака, что затрудняет протекание физико-химических процессов  между металлом и шлаком. Это обусловлено  тем, что шлаки, отличающиеся высоким  омическим сопротивлением, в основном нагреваются металлом путем теплопроводности. Поэтому шлаки холоднее металла, им свойственна высокая вязкость и вследствие этого они малоактивны.

Номинальная емкость индукционных тигельных печей, предназначенных  для выплавки стали на отечественных  заводах, характеризуется следующим  рядом: 0,06; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 10; 16; 25; 40 и 60 т. 

Основы работы индукционной тигельной печи

В индукционных печах можно переплавлять магнитную и немагнитную шихту. При плавлении немагнитной шихты  ее разогрев осуществляется за счет джоулева тепла, выделяющегося при циркуляции в металле индуцируемых полем индуктора вихревых токов Фуко. Магнитные материалы нагреваются, кроме того, и за счет тепловых потерь при их перемагничивании, величина которых определяется шириной петли гистерезиса. Ферромагнитные свойства сохраняются, как известно, до точки Кюри (740—770° С).

Рассмотрим нагрев немагнитных  материалов. Для упрощения представим себе шихту в виде сплошного блока  цилиндрической формы, помещенного  внутрь индуктора.

Поле, создаваемое соленоидом в  зазоре между индуктором и цилиндром, образует цилиндрическую волну, падающую на поверхность цилиндра. Вектор напряженности  магнитного поля в зазоре направлен  вдоль оси цилиндра, а напряженность  электрического поля направлена по касательной  к поперечному сечению цилиндра. Проникающая внутрь цилиндра волна  индуцирует вихревые токи прежде всего в поверхностном слое цилиндра. Эти токи циркулируют в плоскости витков индуктора в направлении, противоположном направлению тока индуктора. Токи образуют свое электромагнитное поле, также противоположное полю индуктора. Поэтому в более глубокие слои цилиндра поле индуктора проникает ослабленным и плотность тока, наводимого в более глубоких слоях, будет меньшей. 

Глубина проникновения тока — это  условная величина, равная расстоянию от поверхности, на котором плотность  тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью тока у  поверхности (ее — основание натуральных  логарифмов, равное 2,718).

Глубина проникновения тока зависит  от частоты изменения электромагнитного  поля, удельного омического сопротивления  и магнитной проницаемости материала.

В начале плавки основное количество тепла выделяется в поверхностном  слое, и он прогревается в первую очередь. Неравномерность прогрева можно наблюдать визуально, если в высокочастотный индуктор вставить массивный блок, например, из графита.

С повышением температуры сопротивление  металла увеличивается. Спустя некоторое  время после начала нагрева сопротивление  становится неодинаковым по сечению (максимум у поверхности), вследствие чего максимум плотности тока смещается от поверхности  в глубь цилиндра. При этом в процесс прогрева вовлекаются все новые слои металла, увеличиваются глубина проникновения тока и мощность, передаваемая садке.

Неравномерность распределения плотности  тока по сечению нагреваемого цилиндра значительно ускоряет нагрев, так  как позволяет последовательно  концентрировать в отдельных  слоях высокую мощность. Если бы сила тока распределялась по всему  сечению равномерно, то плотность  тока и концентрация тепла были бы незначительными и для прогрева металла потребовались бы во много  раз более мощные источники питания  печей. Поэтому при индукционном нагреве очень большое значение имеет соотношение между глубиной проникновения тока и сечением прогреваемого  блока.

Для одного и того же материала  глубина проникновения тока зависит  только от частоты, а это означает, что существует оптимальное соотношение  между частотой и размерами твердой  шихты, а также между частотой и диаметром тигля. Таким образом, для эффективного плавления одного и того же металла в индукционных печах разной емкости требуется  различная частота питающего  тока.

Все закономерности справедливы не только для расплавленного металла, но и для каждого отдельного куска  шихты, если под d2 понимать диаметр  отдельного куска. Поэтому для достижения высокого значения электрического к. п. д. печи необходимо выдерживать определенные соотношения не только между частотой тока и диаметром тигля, но и между  частотой тока в индукторе, размерами  и формой кусков шихты. Однако при  использовании любой шихты куски  надо укладывать так, чтобы при этом получался максимальным объем активного  слоя.

В случае плавления магнитной шихты  справедливы те же соотношения. Но в  начальный период плавки магнитная  шихта потребляет примерно на 40% больше мощности, чем немагнитная. При нагреве  магнитной садки сильнее выражен  и эффект неравномерного распределения  плотности тока по сечению. Большая  потребляемая мощность и более высокая  концентрация тепла позволяют нагревать  магнитную шихту с большей  скоростью, чем немагнитную.

С повышением температуры шихты  ее магнитная проницаемость уменьшается, что приводит и к уменьшению скорости нагрева. Выше точки Кюри магнитные  металлы нагреваются так же, как  и немагнитные.

После расплавления металл в индукционных тигельных печах находится в  непрерывном движении. Движение металла  вызывается действием ряда электродинамических  эффектов, главным образом наличием отталкивающих усилий между проводниками с противоположным направлением токов (индуктором и садкой) и сжимающих  усилий между проводниками с одинаковым направлением токов (между токопроводящими  слоями садки). Электродинамические  силы направлены радиально к оси  цилиндра и создаваемое ими давление достигает максимума у оси  цилиндра, на середине его высоты.

Под действием электродинамических  усилий жидкий металл вытесняется из области с высоким давлением  в места с более низким давлением, т. е. вверх и вниз, в результате чего возникает циркуляция металла.

Естественное электромагнитное перемешивание  металла способствует выравниванию его температуры и состава  по объему ванны и ускоряет плавку. Но при циркуляции по схеме на поверхности  ванны образуется выпуклый мениск металла, шлак стекает к стенкам тигля  и оголяет поверхность металла. Чтобы предотвратить это, приходится увеличивать расход шлакообразующих, что отрицательно отражается на технико-экономических показателях работы печи.

Выпуклого мениска не получается, когда уровень металла в тигле  находится выше индуктора. В этом случае циркуляция не выходит на поверхность, а вблизи поверхности возникают  завихрения, создающие обратный мениск, и поверхность ванны становится почти плоской. Для получения  плоской поверхности индуктор делают секционным, и после расплавления металла, когда подводимую мощность можно уменьшить, верхнюю секцию отключают. Уровень металла оказывается  выше включенных витков индуктора, и  мениск не образуется.