Нагрев осуществляется в трех последовательно расположенных индукционных камерах. Первая камера предназначена для передачи слябу максимального количества, тепла в кратчайшее время и имеет наибольшую мощность.
Во второй камере также происходит нагрев сляба, но она позволяет одновременно выдерживать его для получения равномерного прогрева по сечению и ее мощность в два раза меньше. Третья индукционная камера, мощность которой еще в два раза меньше, предназначена для выдержки металла.
В каждой из индукционных камер используется прямоугольная индукционная катушка, окружающая установленный на узкую грань сляб (рисунок 6). Передача сляба из одной камеры в другую осуществляется при помощи тележек и индивидуальных подъемных механизмов, вводящих слябы через открытую нижнюю часть в каждую из нагревательных камер. Надежный контроль температуры в индукционной камере достигнут с помощью убирающейся контактной термопары.
Установка индукционного нагрева рассчитана на загрузку холодных, теплых и горячих слябов. Теплые слябы поступают в нагревательные камеры с температурой 200 – 500 °С, горячие — с температурой 500—700 °С. Перед загрузкой слябов в индукционные камеры проверяют качество их поверхности и длину. Слябы поднимают затем на тележки и загружают на подъемный под, укладывая их на ребро. Выдача слябов для прокатки осуществляется из камеры выдержки. Весь комплекс операций от взятия из штабелей слябов, поступающих с машины непрерывного литья, и до выдачи их из установки на рольганг прокатного стана автоматизирован и находится под контролем одного оператора. Питание всех камер индукционного нагрева осуществляется током промышленной частоты через автотрансформаторы. В схеме питания предусмотрены конденсаторные батареи для коррекции cos φ, который равен 0,85.
Установка такого типа для индукционного нагрева слябов, состоящая из шести параллельных линий (в каждой линии по три камеры), обеспечивает производительность до 600 т/ч. При количестве горячих слябов 20 °/о, теплых 60 % и холодных 20 %, средний удельный расход электроэнергии составляет 1050 кДж/кг (0,29 кВт-ч/кг), а потери металла с окалиной не выше 0,5—0,8 % при практическом отсутствии обезуглероживания поверхности. Эти данные позволяют считать индукционный нагрев слябов вполне конкурентоспособным по отношению к нагреву в топливных печах, особенно в тех районах, где доступна дешевая электроэнергия и когда предъявляют повышенные требования к качеству нагрева и потери металла с окалиной жестко регламентируют.
Представляет несомненный интерес и комбинированный нагрев сравнительно тонких заготовок толщиной 70— 100 мм, особенно из легированных сталей, для которых недопустимо образование окалины на поверхности. В этом случае нагрев до температур, при которых поверхность стали еще не взаимодействует активно с раскаленными продуктами сгорания (до 700—750 °С), осуществляется в обычных топливных методических печах, а окончательный нагрев до температуры прокатки (1250—1300 °С), когда поверхность стали, подвергается интенсивному окислению обезуглероживанию, проводится в индукционных нагревателях. Время достижения этой температуры меньше одной минуты. Такая технология нагрева позволяет резко снизить окалинообразование, и поверхностное обезуглероживание стали, и обеспечивает высокую степень гибкости работы всей системы. В случае снижения темпа работы стана холодные заготовки пропускают только через индукционные нагревательные установки. В этом случае время их нагрева составляет около двух минут.
Индукционные нагреватели, используемые в этой установке представляют собой простые соленоиды, сквозь которые (по оси) перемещают нагреваемые заготовки. Соленоиды выполняются из медной трубки и охлаждаются протекающей по ней водой. Питание индукторов осуществляется током частотой 3000 Гц от машинного генератора. Для уменьшения тепловых потерь от нагреваемых заготовок в окружающую среду предусматривается футеровка индукторов огнеупорными материалами.
Индукционный нагрев в прокатном производстве находит также применение для промежуточного подогрева на сортовых многоклетьевых станах, где температура заготовки сильно снижается в процессе прокатки. Так, при начальном сечении заготовки 120X120 мм и конечном 36X36 мм установка между клетями стана индукционной нагревательной секции длиной 3 м и индукционной томильной секции длиной 2 м позволяет повысить в процессе прокатки температуру заготовки на 150—200 °С. Для этой цели требуется мощность индукционной установки около 600 кВт при частоте питающего тока 3000 Гц. Подаваемая мощность зависит от производительности стана. Включение индукционной установки производится автоматически по сигналу от фотоэлемента, установленного, после 1-й клети стана. Конструкция индукторов аналогична описанной выше.
Индукционный нагрев получил очень широкое распространение для термической обработки различных деталей проката, в частности, для поверхностной закалки, для которой он исключительно удобен и эффективен. Так, при производстве рельсов осуществляют поверхностную закалку их головок. Благодаря питанию индуктора током повышенной частоты возникает поверхностный эффект и плотность тока на поверхности металла оказывается выше, чем в середине. В результате нагрев головки рельса происходит неравномерно, и значительная часть мощности выделяется в поверхностном слое металла.
Для непрерывно-последовательной закалки головок рельсов применяют плоский индуктор, изготовляемый из медной трубки прямоугольного сечения и представляющий собой плоскую обмотку (рисунок 7). Водоохлаждаемый индуктор, к которому подводится ток высокой частоты от генератора, равномерно перемещают вдоль рельса с помощью электромеханического привода. Ускоренное охлаждение нагретого участка поверхности закаливаемого рельса осуществляется обрызгиванием его водой, подаваемой через специальные отверстия в ребрах индуктора. Такая термообработка рельсов позволяет резко повысить их качество и увеличить срок службы.
3 Установки для плавки во взвешенном состояния
3.1 Общая характеристика
Как уже отмечалось ранее, электромагнитные волны, создаваемые индуктором, помимо теплогенерации создают в проводящей среде электромагнитные силы, сжимающие и перемешивающие жидкий металл. При достаточной напряженности магнитного поля силы электродинамического давления могут уравновесить силу тяжести данного объема металла, что позволяет плавить и удерживать металл во взвешенном состоянии. Такой способ плавки позволяет исключить взаимодействие расплавляемой металла с футеровкой, получать любую заданную температуру жидкого металла, перемешивать этот объем жидкого металла, плавно спускать его внутри индуктора и регулировать выпуск металла в изложницу или кристаллизировать его во взвешенном состоянии.
Возможные конструкции индуктора, форма жидкого металла и конфигурация магнитного поля представлены на (рисунке 8).
В таком индукторе устойчивость взвешенного состояния жидкого металла обеспечивается в пределах объема 1,5—3,4 дм3.
3.2 Особенности тепловой работы
Технологическое применение установок для плавки во взвешенном состоянии при физико-химических исследованиях металлов часто связано с достижением заданной установившейся температуры Туст: при расплавлении Туст > Тпл, при кристаллизации металла во взвешенном состоянии Туст < Тпл. Любое значение Туст соответствует тепловому равновесию металла, когда энергия теплогенерации в результате индукционного нагрева полностью расходуется на испарение металла и на тепловые потери излучением (в вакууме) или конвекцией (в инертных газах). Однако параметры электромагнитного поля, необходимые для удержания металла во взвешенном состоянии, могут создавать теплогенерацию, не соответствующую тепловому равновесию. В частности, в диапазоне частот 70—440 кГц электромагнитное поле, удерживающее каплю, создает теплогенерацию для металлов:
1) Al, Cu, Ni, Co, Fe излишнюю, т.е. Туст > Тпл и кристаллизацию невозможно осуществить без интенсификации теплоот- вода. Металлы Fe, Ni, Co при удерживающей частоте 70 кГц кристаллизуют при обдувке капли гелием. В некоторых случаях теплогенерацию ослабляют уменьшением массы (объема) капли, если это не снижает стабильности взвешенного состояния;
2). Ti, Zr, Nb, Mo достаточную и ее можно регулировать изменением частоты поля. Металлы Ti и Zr плавят и кристаллизуют в вакууме при частоте 70 кГц, Nb и Мо — при частоте 440 кГц;
3). Та и W недостаточную, т. е. Густ < Тпл и для плавления необходимы дополнительные источники теплогенерации (в вакууме электронный луч или световой луч оптического квантового генератора, в инертных газах — плазменная струя плазматрона косвенного действия).
Общий к. п. д. индукционных установок для плавки во взвешенном состоянии составляет 0,015—0,02.
Заключение
Технико-экономические показатели
Индукционные вакуумные печи по сравнению с открытыми тигельными печами имеют более низкие значения к. п. д. ηэ и ηт. Общий к. п. д. η0 составляет 0,2—0,4, а в печах с «холодным» тиглем 0,05—0,15, что вызывает повышенный удельный расход электроэнергии. Например, при выплавке стали в печах типа ИСВ Wy ≈ 2÷3 кВт ∙ ч/кг.
Строительство индукционных вакуумных печей связано с большими дополнительными капитальными затратами, что в сочетании с высокими расходами по переделу делает вакуумную индукционную плавку достаточно дорогостоящей, целесообразной только для получения металлов и сплавов особо высокого качества.
Список использованных источников
1 Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 590 с.
2 Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей – 1 том / Ю. П. Филимонов, В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 477 с.