Термическая и антикоррозийная обработка цветных металлов
Термической (тепловой) обработкой называются процессы, при которых металл нагревают или охлажда...
Цветные металлы
В последнее время цветные металлы и сплавы все более распространены в употреблении. Свое назван...
Эмали для металла
Эмаль, то есть суспензия из смол, красящих и стабилизирующих веществ и растворителя, является о...
2.2.2. Выбор частоты тока для питания ИТП
Опубликовано: 03.10.2018
Использование тока промышленной частоты для питания ИТП представляется на первый взгляд наиболее рациональным с точки зрения экономии средств, так как не требует затрат, связанных с приобретением преобразователя частоты и с потерями энергии при его работе. Однако с электротехнической точки зрения имеются ограничения по использованию тока промышленной частоты для ИТП. Кроме того, использование токов повышенной частоты позволяет улучшить показатели плавки и, в частности, увеличить её производительность, уменьшить угар металла.
Для уяснения связи свойств садки тигля и необходимой частоты питающего тока воспользуемся выводами теории индукционного нагрева и четырьмя формулами, которые будут приведены без вывода.
В течение продолжительного периода плавки (от расплавления шихты и до выпуска металла) загрузка тигля представляет собой сплошное металлическое тело близкое по форме к цилиндру. В теории индукционного нагрева показано, что толщина поверхностного слоя 
, в котором циркулируют вихревые токи, зависит от удельного электрического сопротивления металла 
, его относительной магнитной проницаемости 
и частоты тока 
. Эта величина, называемая глубиной проникновения тока, определяется по формуле:
Из формулы видно, что с увеличением частоты тока глубина проникновения уменьшается. Расплавы с низким электрическим сопротивлением (на основе меди и алюминия) характеризуются меньшей глубиной проникновения тока, чем чугуны и стали. Важно отметить, что при нагреве магнитных сталей и чугунов глубина проникновения тока в них увеличивается примерно в 10 раз при переходе через точку Кюри (730…760 оС в зависимости от марки сплава). Это объясняется тем, что относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков при этом уменьшается от 100 до 1.
Расчеты, подтверждённые практикой, показывают, что для получения удовлетворительного К.П.Д. индукционного нагрева диаметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проникновения не менее чем 4…5 раз, т.е.
dц ≥(4…5).ΔЭ (2.12)
Принято считать, что в этом случае система индуктор-садка работает в области ярко выраженного поверхностного эффекта, т.е. в нагреваемом теле существует поверхностный токонесущий слой и сердцевина, величиной тока, в которой можно пренебречь. Если это условие не выполняется электромагнитные волны проходят через металлическое тело, не вызывая его существенного нагрева.
Это явление используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Поэтому сердечники выполняются не сплошными, а сборными из пластин, толщина которых, много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируют друг от друга лаком или путём фосфатации пластин.
Пользуясьсоотношениями (2.11) и (2.12), определим минимальный диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе промышленной частоты 50Гц. Для этого в формулу (2.11) подставим значения электромагнитных характеристик жидкого чугуна:
жидкого чугуна =1,1 .10-6 Ом.м и относительную магнитную проницаемость =1; а также частоту тока =50 Гц.
При этом глубина проникновения будет равна 0,081м или 81мм. Следовательно, минимальный диаметр тигля печи промышленной частоты согласно (12.2) должен быть: 
≥ (4…5). 81 = 324…405 мм. Выполнение этого условия обеспечивает возможность перегрева жидкого металла в печи с минимальным, приемлемым К.П.Д.
На практике печи промышленной частоты имеют диаметр тигля не менее 500 мм и ёмкость не менее 1 тонны. Однако пуск такой печи на обычной твердой завалке практически невозможен, т.к. размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве,значительно меньше 324…400мм. Эффективный нагрев реальной шихты на токе промышленной частоты возможен только до точки Кюри. Вследствие этого плавку впечах промышленной частоты ведут с использованием переходнойванны (плавка с «болотом»). Для этогопри выпуске предыдущей плавки в тигле оставляется не менее 1/3 его объема жидкого металла («болото»). При проведении последующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая загружается в печь и тонет на дно тигля. Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого металла в цехе проводится с использованием стартовых слитков. Они представляют собой слитки, диаметр которых близок к диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева.
Шихта, загружаемая в «болото» требует обязательного удаления с поверхности кусков шихты влаги, масел и эмульсии во избежание выбросов жидкого металла. Поэтому шихту подогревают до ~500°С в газовых нагревательных бадьях.
При плавке на твёрдой завалке, без болота в ИТП частота тока должна соответствовать размерам кусков используемой шихты.
Вычислим, какой должна быть частота тока в индукторе при плавке стальных стояков литниковой системы, имеющих форму цилиндра диаметром 40мм. Согласно уравнению 2.12. глубина проникновения тока должна быть ≈10мм. Из уравнение 2.11. получим f =2400Гц. Именно на этой частоте работают печи серии ИСТ вместимостью 60…160кг для плавки стали и чугуна. Диаметры тиглей промышленных печей, как правило, позволяют расположить в них не один, а множество кусков шихты, форма которых близка к цилиндрической. В этих случаях оптимальный диаметр кусков будет меньше диаметра, вычисленного по формулам 2.11 и 2.12.
При постоянной силе тока в индукторе наибольшая удельная мощность (т.е. мощность, отнесенная к единице объема металла) выделяется в цилиндрических кусках диаметром равным 3,5.Dэ. Для совокупности шаровидных кусков, нагреваемых в просторном тигле оптимальный диаметр равен 4,8.Dэ, а для совокупности пластин оптимальная толщина равна 2,5.Dэ. Для плавки чугуна и стали на частоте 2400 Гц оптимальными будут цилиндрические куски диаметром 35мм, пластины толщиной 25мм или шаровидные куски диаметром 50мм.
Современные среднечастотные печи ёмкостью более 1 тонны чугуна или стали работают без болота на частоте меньшей 1000 Гц. Снижение частоты, по сравнению с расчётной, оказывается возможным благодаря тому, что в тиглях такой ёмкости располагается значительное количество кусков шихты. Поэтому они нагреваются не только каждый в отдельности под действием индуцированных в них токов, но и благодаря переходным контактам между кусками. Наличие этих контактов приводит к образованию больших по сечению замкнутых электрических контуров, по которым циркулируют индуктивные токи.