Средночестотна индукционна нагревателна пещ за коване

Развитието на индукционната пещ за производство на стомана беше благодат за малките производители на стомана. Тези пещи са лесни за инсталиране, експлоатация и поддръжка. Тези пещи са с по-малък топлинен размер с ниска инвестиция и са предпочитани от стоманодобивни предприятия с по-малък капацитет. В тези пещи стоманата се произвежда чрез топене на заредения материал с помощта на топлината, произведена от електромагнитното поле.

Индукционната пещ се състои основно от тигел, индукторна бобина и корпус, охладителна система и механизъм за накланяне. Тигелът е оформен от огнеупорен материал, с който са облицовани намотките на пещта. Този тигел държи заредения материал и впоследствие стопилката. Изборът на огнеупорен материал зависи от вида на шихтата и основно се състои от киселинни, основни или неутрални огнеупори.

Бобината на индуктора е тръбна медна намотка с определен брой навивки. През него преминава променлив ток (AC) и в проводника се генерира магнитен поток. Генерираният магнитен поток индуцира вихрови токове, които позволяват нагряването и впоследствие процеса на топене в тигела.

Корпусът е външната част на пещта. Тук се помещават тигелът и бобините на индуктора и има по-висок топлинен капацитет. Изработен е от правоъгълен паралелепипед с нисковъглеродна стоманена плоча и съединен в ъглите с ръбови носачи от ъглови парчета и ленти от немагнитен метал.

Охладителната система обикновено е еднопосочна система с тръбни медни намотки, свързани към източника на вода чрез гъвкави гумени маркучи. Процесът на охлаждане е важен, тъй като веригата на пещта изглежда резистивна и реалната мощност не се консумира само в заредения материал, но и в съпротивлението на намотката. Тази загуба на намотка, както и загубата на топлина, проведена от заряда през огнеупорния тигел, изисква намотката да бъде охладена с вода като охлаждаща среда, за да се предотврати неоправдано повишаване на температурата на медните намотки.

Суровини и източник на енергия

Скрап от топене на стомана, директно редуцирано желязо и чугун/чугун са входящите суровини за индукционна пещ. Съотношението на тези елементи и технологията на топене на тези входящи материали варира в зависимост от наличието на суровини и местоположението на завода. За производството на стомана със специфично качество са необходими допълнителни подбрани суровини. За по-добра и ефективна работа на топенето в индукционна пещ, суровината трябва да отговаря на следните критерии.

Тя трябва да бъде възможно най-плътна. Уплътняването на скрап е важно за осигуряване на равномерно и бързо нагряване, както и за пестене на енергия.

Трябва да е чисто. За предпочитане е ръждата, маслото, греста и пясъкът да са нула.

Тя трябва да бъде металургично чиста, т.е. без шлакови бучки, оксиди и т.н., особено за директно редуцирани желязо, челюсти и феросплави.

Няма или има по-малко остри заострени ръбове, особено в случай на тежък и обемист скрап.

Тя трябва да бъде отделена от вредни съставки като експлозиви, затворени контейнери, изпаряващи се вещества и лесно достъпна в таксувани размери в цеха.

Електричеството е единственият източник на енергия за топене на стомана в индукционната пещ. Индукционната пещ трябва да работи на максимална мощност от самото начало. Има някои погрешни схващания пещта да работи при нисък кран първоначално и след това постепенно да се увеличи до по-висок кран. Максималната входяща мощност увеличава скоростта на топене и следователно намалява времето на цикъла на нагряване. Факторът на мощността трябва да се поддържа близо до единица.

Спадът на напрежението от източника също трябва да се следи за по-добра енергийна ефективност. Допълнителният разход на енергия зависи от размера на пещта и се понижава, тъй като капацитетът на пещта се увеличава приблизително до 15 до 17 тона и след това разходът остава почти постоянен около 600 kWh/тон.

Важни аспекти на работата
Тъй като течната стомана се възбужда от ток, противоположен на тока, протичащ в индукционната бобина, тя се разбърква, за да повдигне повърхността си в центъра. Повърхността на течната стомана се издига по-високо, когато честотата става по-ниска, т.е. разбъркването на течната стомана се появява по-силно в нискочестотна пещ, отколкото във високочестотна пещ. Този ефект на разбъркване прави възможно да се осигури еднаква температура на течната стомана и нейното еднакво качество, както и да се насърчи улавянето на заредения материал и сливането на агенти за регулиране на химическия състав, особено добавяне на въглерод. От друга страна, прекомерното разбъркване може да причини проблеми като окислително износване на течна стомана и разтопяване на огнеупорни материали или опасност от пръскане на течна стомана.

След като топенето приключи, шлаката се отделя. Шлаката, генерирана по време на топенето, има тенденция да залепва по стената на пещта. Това намалява обема на пещта, следователно намалява производството на метал на топлина.

Прегряването на метала се извършва при по-висока температура и се задържа няколко минути. Това възпрепятства отлагането на шлака върху облицовката на пещта, поддържайки пещта чиста с пълен обем.

Съставът на шлаката варира в зависимост от конкретния използван процес и вида на произвежданата стомана. Съставът на шлаките от пещи и черпаци често е много сложен. Образуваната шлака е резултат от сложни реакции между силициев диоксид, железен оксид от стоманен скрап, други окислителни продукти от топенето и реакции с огнеупорни облицовки. Шлаката се състои от сложна течна фаза от оксиди на желязо, манган, магнезий и силиций, силикати и сулфиди плюс множество други съединения, които могат да включват двуалуминиев оксид, калциеви оксиди и сулфиди, редкоземни оксиди и сулфиди и др.

При производството на стоманата химията на крайния продукт се контролира. Химическият анализ на всички вложени материали се прави, за да се вземе решение за смесването на заряда. След завършване на 50% зареждане на вложените материали, проба от баня се анализира за химичен състав. Въз основа на химичния анализ на пробата от ваната на този етап се правят изчисления за по-нататъшни добавки на метали. Ако пробата от ваната на този етап показва висок процент на въглерод, сяра и фосфор, тогава директно редуцираното съдържание на желязо в заряда се увеличава. Крайната проба от банята се взема, когато 80 % топене е завършено. Въз основа на анализа на тази извадка се прави друга корекция в таксата. По-ниското съдържание на въглерод в пробата се коригира чрез увеличаване на количеството чугун/чугун в шихтата. Силицият и манганът в метала се окисляват от железния оксид на директно редуцираното желязо. Сярата също се разрежда от директно редуцираното желязо. Поради използването на директно редуцирано желязо микроелементите в стоманата, произведена в индукционната пещ, остават под контрол.

Течната стомана е желаната продукция от индукционната пещ. Количеството зависи от капацитета на пещта, а качеството зависи от суровините и състава на стоманата. Температурата на източване зависи от вида на стоманата и супер топлината, необходима в течната стомана за нейната крайна употреба. Нарязването на стомана при високи температури увеличава огнеупорната ерозия и консумацията на енергия.

Ненужното прегряване на течна стомана до висока температура струва значително енергия. Минимизирането на прегряването на разтопената баня спестява енергия. В зависимост от спецификацията на стоманата и загубата на температура по време на прехвърляне на течна стомана към машина за непрекъснато леене трябва да се определи температурата на прегряване. При всяко нагряване температурата на течната стоманена вана трябва да се измерва и наблюдава, за да се постигне оптимално спестяване на енергия. Трябва да се осигурят подходящи системи за контрол на мощността с регулиране на потенциометъра за минимизиране на загубите на енергия поради прегряване.

Други аспекти на производството на стомана в индукционни пещи
В зависимост от инсталираната плътност на мощността и практиката на топене, топлинната ефективност на индукционната пещ може да надхвърли 80%, но обикновено е в диапазона от 60% до 78%.

Индукционните пещи обикновено се държат отворени по време на целия процес на топене, където работниците участват в отстраняването на шлаката и наблюдението на качеството на разтопената баня. Това обаче води до значителни топлинни загуби и следователно трябва да се монтират специални капаци или капаци за намаляване на топлинните загуби. По-специално, намаляването на времето, през което капакът се държи отворен, докато се топи, може да доведе до значителни икономии на енергия.

Теоретичното изискване за енергия за топене на желязо е само 340 kWh на тон, докато действителната необходима мощност е около 600 kWh. Тази разлика се дължи на два фактора, а именно (i) присъщи на принципа на топене в индукционна пещ, които включват неефективността на загубите на електрически шини, загубите от вихрови токове, загубите на огнеупор и загубите на охлаждаща вода и т.н., и (ii) оперативни загуби, които до голяма степен се дължат на ненужно и прекомерно задържане на течна стомана в индукционната пещ.

Оборудването за индукционна пещ трябва да бъде поставено на минимално разстояние между всяко оборудване, за да се намалят загубите в кабелите. За да се намалят забележително загубите в окабеляването, от съществено значение е да се скъси разстоянието между тялото на пещта и кондензатора, подобряващ фактора на мощността, тъй като между тях протича много голям ток.

Ефективността на индукционната пещ се изразява като обща сума, като се извадят електрическите и топлопреносните загуби. Електрическите загуби се състоят в трансформатор, честотен преобразувател, кондензатор, окабеляване, кабел, бобина и др. Загубата в бобината е съществен фактор, от който зависи капацитетът на пещта. Топлинните загуби в индукционната пещ се състоят от загуба на топлина, изтичаща от стената на пещта към страната на серпентината, радиационна загуба на топлина, освободена от повърхността на стопилката, загуба на абсорбция в капака на пръстена, загуба при топене на шлака и др. Намотките на пещта са с водно охлаждане, което също води при загуба на топлина. Топлинната ефективност на пещите с висока и средна честота (60 % – 78 %) е малко по-голяма от тази на пещта с ниска честота (58 % – 71 %).