Динамо-машины  Применение индукционного нагрева 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39

пути совершенствования литейного производства, снижения удельного расхода топлива, повышения производительности печей.

Рассмотрим некоторые способы интенсификации процесса плавки металла на примере работы мартеновской печи. Одним из наиболее эффективных является способ регулирования газовой атмосферы в мартеновской печи, при котором в плавильный объем вводят fазообразующие добавки, предварительно подогретые до высокой температуры и позволяющие создать любую атмосферу в печи. Максимальная температура в пространстве печи, определяемая теплотворной способностью горючего материала (мазута, газомазутной смеси и т. п.), ограничена и достигает 2000-2300 deg; С, что снижает производственную мощность печи.

Известен способ интенсификации мартеновского процесса, при котором в рабочее пространство печи подается воздух, предварительно нагретый в высокочастотном электромагнитном поле газового безэлектродного разряда. Этот способ является комбинированным, так как позволяет повысить температуру горящего факела в печи и воздействует на химико-термические процессы плавки благодаря наличию в потоке воздуха высокоинтенсивных ионизированных частиц. Повышение температуры горящего факела осуществляется подачей в факел реагента, имеющего температуру заведомо выше температуры горения топлива. Таким реагентом служит ионизированный воздух, полученный при помсщи низкотемпературной плазмы. Газовый безэлектродный разряд обеспечивает среднемассовую температуру ионизированного газа на выходе из плазменной горелки выше 5000 deg; С. Источником ионизированного газа в этом случае может служить установка для индукционного нагрева газов, например серийно выпускаемая типа ВЧИ-63/5-ИГ-Л01 и др. (рис. 76).

Низкотемпературная плазма как разновидность интенсифика-тора процесса плавки металлов известна сравнительно давно, однако предлагаемый в настоящей работе способ интенсификации процесса плавки при помощи низкотемпературной плазмы, полученной в газовом безэлектродном разряде, имеет ряд преимуществ. В дуговых плазменных горелках, используемых для создания интенсивного газового потока, нагретого до высокой температуры, значительно превышающей получаемую при химических реакциях горения, энергия непрерывного электрического разряда переменного тока добавляется к энергии, получаемой от сгорания смеси топлива с воздухом. В этих горелках продукты сгорания топлива ионизируются,а воздух вступает в химическую реакцию с продуктами горения до ионизации. Смешивание продуктов сгорания с ионизированными частицами в них происходит в полости самой горелки (между электродами).

Безэлектродный высокочастотный разряд позволяет ионизировать атмосферный воздух раздельно от сжигания топлива. Смешивание продуктов горения с ионизированным газом происходит в самой печи, за пределами горелок. В факеле горелки происходит

как бы дожигание продуктов горения с одновременным повышением светимости факела за счет присутствия ионизированных частиц воздуха.

При данном способе отопления мартеновской печи поток воздуха перед подачей его в рабочее пространство печи пропускают через безэлектродный разряд. Разряд ограничен индуктором и поддерживается за счет высокочасютного электромагнитного поля. Нагрев воздуха происходит до 2000-20 000 deg; С в зависимости от его

Рис. 76. Высокочастотная установка с встроенным программным устройством

расхода и передаваемой электрической энергии. Нагретый до высоких температур воздух не контактирует с футеровкой воздухопровода, так как поток отжат от стенок магнитным полем. Это пре дохраняет футеровку от преждевременного разрушения.

Характер движения газа в печи организуют таким образом, что факел мазутной или газовой горелки мартеновской печи охватывается ионизированным потоком газа над зеркалом ванны. Под воздействием ионизированного газа факел приобретает более высокую температуру, чем температура горения топлива, а тепловой поток от факела к ванне значительно увеличивается в соответствии с законом Стефана-Больцмана.

Этот способ позволяет в случае необходимости полностью отказаться от применения топлива, в таком случае роль теплоносителя и окислителя будет выполнять ионизированный воздух, нагретый в газовом безэлектродном разряде до оптимальной температуры. Следует отметить, что эффективность безэлектродного

разряда как излучающего тела с увеличением мощности в разряде и повышением температуры разряда увеличивается, а к. п. д. стремится к 1. В то же время эффективность дугового разряда как излучающего тела с увеличением мощности в разряде и повышением температуры уменьшается, а к. п. д. падает до 0. Эта зависимость вытекает из уравнения теплового баланса [24]

Z = Я (Т) lt; + L,

где Z - подводимая электрическая мощность; Н (Т) - энтальпия плазмы; й - расход газа; L - интенсивность теплового потока на анод. .

Температура дугового плазматрона ограничивается численным значением порядка 7000 deg; С, причем максимально достижимой температурой является та, при которой тепловые потери на анод почти равны подводимой электрической мощности.

Таким образом, дуговой плазматрон будет работать сам на себя. Воздух, как и любой другой технологический газ, получаемый при помощи безэлектродного высокочастотного разряда, не зависит от реакции горения, поэтому процесс мартеновской плавки можно регулировать в широких пределах, изменяя количество вводимого ионизированного газа в соответствии с теплопоглощаю-щей способностью ванны. Это повышает производственный к. п. д. мартеновской печи и снижает расход топлива.

К настоящему времени разработан целый ряд дуговых горелок, в которых совмещены методы использования химической энергии топлива и электрической энергии переменного тока. В результате получают высокотемпературный газовый поток с большим содержанием теплоты и температурой до 3300 deg; С. Дополнительный ввод электроэнергии способствует значительному увеличению общей теплоты продуктов сжигания топлива, однако температуры получаются относительно умеренными.

Такие горелки не находят практического применения в мартеновском процессе ввиду конструктивной сложности и несовершенства технологических приемов. Промышленное использование безэлектродных высокочастотных газовых горелок было ограничено в основном двумя причинами: сложностью непрерывного поддержания газового разряда и ограниченными способами возбуждения разряда при высоких давлениях. Трудности эти преодолены полностью. Газовый безэлектродный разряд мощностью от десятков до сотен киловатт сейчас может поддерживаться сколь угодно долго, а его возбуждение при атмосферном давлении не представляет труда. Вопросы возбуждения и поддержания высокочастотного разряда следует рассматривать в связи с использованием их в производстве.

Интересно узнать, возможно ли использовать индукционный нагрев на всех этапах мартеновской плавки. Скоростная плавка как один из современных методов совершенствования плавильного процесса занимает в этом случае особое место. Она повышает про-

изводительность мартеновского цеха на 25-30%, улучшает качество и сортность литья, снижает брак сталелитейного производства и позволяет поддерживать плавильные агрегаты на предельном температурном режиме. На удовлетворение этих показателей направлены мероприятия по более широкому использованию индукционного нагрева в литейном производстве.

Как известно, для скоростной плавки характерен такой тепловой режим, при котором удельная производительность для конструкционной углеродистой стали достигает не менее 7-10 т в сутки с одного квадратного метра площади пода печи. Организация труда плавильщиков должна быть такой, чтобы обеспечить заданный тепловой режим на всех этапах плавки. Заправка печи может сократить время плавки на 20 -30 мин. Для этого заправочные материалы (магнезитовый порошок, доломит и т. д.) могут быть предварительно подготовлены и нагреты, например в газовом безэлектродном разряде или индукционной муфельной печи с многозонной температурной атмосферой. Заправка горячих заправочных материалов с предварительной продувкой отверстий, ям и laquo;застоев raquo; горячим воздухом сразу после выпуска предыдущей плавки является предварительным условием скоростной плавки.

Компрессорный воздух, предварительно подогретый в высокочастотной установке для ионизации газов и используемый в стадии заправки, поддерживает температурный режим печного пространства на высоком уровне, достаточном для ускоренного выполнения завалки шихтовых материалов. Этот этап плавки является одним из главных и так же, как и заправка, должен выполняться в сжатые сроки.

Ускорение периодов завалки и плавления позволяет получить к моменту расплавления ванны металл с меньшим содержанием газов. Быстрая завалка в то же время может резко изменить температурный режим плавильного пространства, остудить ванну и надолго затянуть плавку. И в этом случае практикуют предварительный нагрев шихтовых материалов, который может осуществляться в индукционных печах, расположенных на вспомогательных участках (на шихтовом дворе или в копровом цехе), или выполнением двух- или многованных плавильных агрегатов с перевалкой шихтовых материалов последовательно из одной ванны в другую с наращиванием температуры завалки.

Практика показывает, что задержка завалки средней мартеновской печи на 30 мин удлиняет продолжительность плавки до двух часов. Прогрев шихты, выполненной вне печной зоны, когда возможен ее быстрый индукционный нагрев, становится вне конкуренции, сокращает время плавки и увеличивает процент годного литья.

Необходимость в последовательной завалке железной стружки, мелкого чистого скрапа, извести, известняка, железного лома, железной руды, боксита и передельного чугуна предполагает непрерывность процесса, включая раскисление и разливку. Такой

процесс возможен в электропечах, где особые надежды можно возлагать на индуктивно-плазменные печи.

Быстрое расплавление шихты возможно с интенсификацией плавильного процесса, как показано выше. В связи с возможностью перегрева свода в этот период плавки индуктивно-плазменную высокочастотную установку желательно располагать непосредственно на своде печи (с внешней стороны), а свод охлаждать водозащитным козырьком. Такие конструкции существуют.

В период плавки металла анализ проб в экспресс-лаборатории можно ускорить, используя для этого выплавку образца в индуктивно-вакуумной установке с комплексом газоанализатора, расположенного в непосредственной близости от плавильного участка.

Доводка и раскисление стали - не менее важные этапы в плавильном процессе. Они также в значительной степени могут быть усовершенствованы. Период раскисления плавки влияет на качество стали и по некоторым представлениям не может быть сокращен.

Для современных сплавов в процессе плавки добавляют жаростойкие легирующие присадки, которые при существующей температуре плавильного пространства полностью не реагируют, что вызывает увеличенный их расход. Кроме того, сталь по химическому составу может не соответствовать заданной марке. ,

Присадки, предварительно нагретые до температуры, близкой к температуре плавки, или полностью расплавленные и добавленные в ванну или в ковш в процессе разливки (в зависимости от принятого технологического процесса), в значительной мере повышают качество плавки, экономят дорогостоящие материалы и снижают стоимость слитков. Такой нагрев присадок или расплавление непосредственно, например в ковше индукционной печи, становится больше нормой, чем пожеланием.

Развитие электротермических процессов и широкое внедрение индукционного нагрева на разных этапах металлургического производства приведут в последующем к тому, что такие процессы, как мартеновская плавка и ей подобные, видоизменятся и перестанут существовать в прежнем виде.

Существенному водоизменению подвергается и чугуно-литейное производство. Доля коксогазовых вагранок у нас в стране и за рубежом постоянно сокращается, а процент индукционных плавильных агрегатов для получения высококачественного чугуна увеличивается.

Индукционные печи имеют много преимуществ по сравнению с вагранками и повсеместно их вытесняют [5]. Все же совершенствование конструкций вагранок, особенно газовых, и некоторых технологических приемов нагрева завалки (металла) позволяет утверждать, что их применение при плавке чугуна будет достаточно продолжительными материалоемким. Необходимо отметить, что в черной металлургии, примыкающей, в частности, к тракторостроению, усилия направлены на разработку и внедрение комбинированных плазменно-газовых вагранок, способных использовать

остаточную ваграночную теплоту и обеспечивать любой заданный состав плавки.

Создание принципиально новых плавильных агрегатов является характерной чертой современной металлургии. Наряду с плавильными агрегатами совершенствуются методы транспортировки расплавленного металла - одной из самых отсталых операций. Перенос расплавленного металла в открытых ковшах, разливка ручная, механизированная полунепрерывная и непрерывная в литейные формы до сих пор остались очень трудоемкими и опасными. Разработаны, действуют и в недалеком будущем получат распространение линии транспортировки расплавленного металла от печи до

Рис. 77. Профиль закаленного слоя шестерни тиристорным преобразователем частоты на 4 и 8 кГц

разливочной формы по трубопроводам без промежуточного перелива в ковш. Насосы для расплавленных металлов действуют на принципе взаимодействия бегущего магнитного поля с жидким металлом. За счет магнитоэлектрического эффекта связи металл- токопровод расплав движется поступательно в заданном направлении. Других движущихся и быстро изнашивающихся элементов в установках нет, что делает их особенно надежными. Дополнительно к простоте и удобствам в таких транспортных насосах удается получить чистый металл при разливке, так как в трубопроводах за счет того же электромагнитного поля происходит разделение собственно металла и шлака.

Необходимо отметить, что способы индукционного нагрева в современном машиностроении становятся все более управляемыми, контролируемыми и универсальными. Им присущи интенсификация процесса и комплексная механизация. Вместе с тем не следует забывать, что современная электротермия выросла из прикладной радиотехники и стала самостоятельной ветвью в силу разнообразного применения и больших объемов. Суммарные мощности электротермических устройств огромны, намного превышают