Канальной печи

Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.

Конструктивно печь состоит (рис. 2.1) [6] из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной индукционной единицы.

Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.

Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1.

Рис. 2.1. Устройство индукционной канальной печи шахтного типа

Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом. Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны. Ток, протекающий во вторичной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 – 95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной. Перемещение металла обусловлено

главным образом электродинамическими усилиями, возникающими в канале, и в меньшей степени конвекцией, связанной перегревом металла в канале по отношению к ванне. Перегрев ограничивается некоторой допустимой величиной, лимитирующей допускаемую мощность в канале.

Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 20 – 50 % полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Замораживание металла в канале не допускается, во время межплавочного простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.

Индукционная канальная печь имеет следующие отличия от силовых трансформаторов:

1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков (рис. 2.2);

2) вторичный виток – канал – находится от индуктора на относительно большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощности, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что энергетические показатели индукционной канальной печи – это электрический коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – заметно ниже, чем у обычного трансформатора.

Рис. 2.2. Принципиальная схема индукционной канальной печи

Основные уравнения (уравнение токов и уравнения электрического состояния) для индукционной канальной печи аналогичны уравнениям для трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания (отсутствует напряжение ): ; ; .

Схема замещения и векторная диаграмма индукционной канальной печи приведены на рис. 2.3.

а	б
Рис. 2.3. Схема замещения и векторная диаграмма: - напряжение на индукторе; - ток в индукторе; - ток холостого хода в индукторе; - приведенный ток в канале печи; - ЭДС самоиндукции (наведенная основным потоком в обмотке индуктора); - ЭДС взаимоиндукции (наведенная основным потоком в канале печи); - параметры индуктора; - параметры канала

Интенсивное движение расплавленного металла из каналов в ванну и в обратном направлении имеет важнейшее значение, так как почти все тепло выделяется в каналах. В возникновении циркуляции металла некоторую роль играет конвекция, связанная с перегревом металла в каналах, но основным фактором является электродинамическое взаимодействие тока в канале с магнитным потоком рассеяния, проходящим между каналом и индуктором (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема взаимодействия тока канала с магнитным полем

Электродинамические силы направлены от индуктора и к металлу в канале К при осевом направлении плотности тока в канале . Создаваемое ими давление равно нулю на внутренней поверхности канала и максимально на его наружной поверхности. Вследствие этого металл вытесняется в ванну из устья канала вдоль его наружной стенки и всасывается в канал вдоль его внутренней стенки (рис. 2.5, б). Для усиления циркуляции устьям каналом придают округлую форму, обеспечивающую минимальное гидравлическое сопротивление (рис. 2.5, а; 2.6).

а	б
Рис. 2.5. Циркуляция металла канальной печи	Рис. 2.6. Сдвоенная индукционная единица с однонаправленным движением металла в каналах

В тех же случаях, когда необходимо ослабить циркуляцию (например, при плавке алюминия), устья делают без расширения, с большим гидравлическим сопротивлением.

Сквозное однонаправленное движение металла через канал и ванну вместо симметричной циркуляции позволяет усилить тепло- и массообмен, уменьшить перегрев металла в каналах и за счет этого увеличить стойкость подового камня. Для обеспечения такого движения металла были предложены различные технические решения [7]: винтовые канал с устьями, выходящими в ванну на разной высоте, что резко усиливает конвекцию; каналы переменного сечения, в которых имеется не только радиальная (обжимающая), но и осевая составляющая сил электродинамического взаимодействия тока в канале с собственным магнитным полем; дополнительный электромагнит для создания электродинамической силы, перемещающей металл вверх по центральному каналу сдвоенной индукционной единицы.

Применение винтовых каналов и каналов переменного сечения на одноканальных единицах себя не оправдало. Использование дополнительного электромагнита связано с усложнением и удорожанием печи и потому нашло лишь ограниченное применение. Использование каналов с устьями переменного сечения на сдвоенных индукционных единицах дало положительный результат. В сдвоенной единице с различной формой центрального и боковых устьев обусловлено однонаправленное движение металла, особенно интенсивное при отсутствии фазового сдвига между магнитными потоками индукторов. Такие единицы применяются в практике и обеспечивают удвоение срока службы футеровки.