Надежная и экономичная плавка в среднечастотной тигельной печи

Введение

Технические и экономические критерии техники индукционного плавления привели к постоянно возрастающему применению индукционных печей в литейной индустрии и производстве заготовок. Их принципиальные преимущества основываются на непосредственном, не подверженном перегреву, нагревании загружаемого материала и целенаправленно вызываемом бурлении (кипении) ванны расплавленного металла. Вместе с тем, гарантируются точный температурный режим и ведение процесса, низкие показатели потерь, незначительные излучения на рабочем месте и в окружающую среду, высокая однородность и точность получаемого сплава.

С переходом к среднечастотной технике цифрового управления, достигается значительное повышение удельной мощности, а управляемое ЭВМ производством гарантирует высокую надежность процесса. Как следствие становится возможным изготовление по заказу установок для специальных металлургических заданий, так чтобы среднечастотная тигельная печь развивалась все больше до практически универсального плавильного агрегата.

Правильный режим управления и производства, безопасная и надежная эксплуатация и оптимальное оснащение установок способствуют полноценному использованию преимуществ этой техники. Таким образом, практически необходимое потребление энергии для плавки чугуна при температуре 1.500°C составляет от 490 до 520 КВт/ч, в то время как средние показатели потребления в литейных цехах являются существенно более высокими. Из Англии сообщается о средней величине для плавления чугуна в 718 КВт/ч /1/, сбор статистических данных во французских литейных цехах серого чугуна /2/ дал в итоге показатели от 855 КВт/ч.

Здесь открывается большой экономический потенциал: при соблюдении определенных правил потребление энергии может снижаться до 20% без привлечения существенных инвестиций. Как раз при постоянно растущих ценах на энергию это является одной из важнейших мер по снижению расходов.

Задача данной статьи, ориентируясь на практику использования индукционных печей для выплавки чугунов на многих заводах, дать рекомендации и указания для более эффективного и надежного использования среднечастотных тигельных печей для выплавки чугуна. Теоретические и технические основы индукционных печей раскрыты настолько, насколько это необходимо для понимания всех тонкостей.

1. Конструкция и технология работы индукционных тигельных печей

1.1 Принципиальная технология

Через многовитковый индуктор протекает переменный ток и производит вследствие этого овальное электромагнитное поле. Оно пронизывает проводящий материал заготовки внутри индуктора и производит в нем согласно закону индукции вихревые токи. Возникновение вихревых токов вызывает по закону Йолша нагрев материала заготовки.

Если подается необходимая энергия, начинается плавление заготовки. Вызванный током индукторов электромагнитный поток проходит частично через расплав, по большей части через тигельную стену, находящуюся между индуктором и расплавом. Внешние листовые пакеты (магнитопроводы) образовывают магнитный барьер и предотвращают возможный нагрев конструкции печи и недопустимо высокое электромагнитное поле рассеяния вне печи.

Образование электромагнитных полей приводит к возникновению электромагнитных сил. Эти силы вызывают в индукционной тигельной печи характерное движение ванны и образование сводообразного купола ванны, как изображено на рис. 1. Движение ванны технологически очень важно для индукционной тигельной печи, так как вследствие этого оптимально может произойти гомогенизация расплава и замешивание дополнительных (присадочных) материалов.

Высота купола ванны и сила движения ванны определяются частотой переменного тока, электрической производительностью и геометрией печи, и вместе с тем, могут настраиваться целенаправленно. Принципиально необходимо констатировать, что посредством индукционного нагрева можно достичь любой высокой температуры, если тигельный материал и материал заготовки не имеют ограничений.

	1. Индуктор 2. Футеровка 3. Расплав 4. Движение ванны 5. Купол ванны 6. Изоляция
Рис. 1: Движение ванны и купол ванны

1.2 Конструкция установки

Конструкция современной высокопроизводительной индукционной плавильной установки изображена на рисунке 2; в частности, функционирующая установка состоит из следующих компонентов:

Плавильный агрегат:

• Корпус печи с индуктором.

• Станина печи.

• Гидравлический распределитель.

• Пульт управления.

Электрическое снабжение:

• Трансформатор-преобразователь тока.

• Преобразователь частоты.

• Конденсаторная батарея.

• Электропровода.

Система управления процессом:

• Система взвешивания.

• Шкаф управления оператора.

• Процессор плавки JOKS.

• Система контроля состояния тигля.

Вспомогательное оборудование:

• Система водяного охлаждения с воздушным охладителем / градирней.

• Загрузочное оборудование.

• Система составления шихты.

• Система пылеулавливания.

• Система выталкивания тигля.

	1 - Ванна жидкого металла 2 - Огнеупорный тигель 3 - Слой теплоизоляции 4 - Постоянная футеровка с датчиком ОСР 5 - Силовая катушка 5a - Охлаждающий контур 6 - Верх печи 6a - Разливочный желоб 6D - Желоб скачки шлака 7 - Отклоняющая система 8 - Вибропоглатитель 9 - Заземляющий стержень для контроля утечки на землю 10 - Корпус катушки
Рис. 3: Конструкция тигельной печи

1.3 Энергоснабжение/ Техника преобразователя

Энергоснабжение индукционных тигельных печей происходит либо от сетевого питания через соответствующий трансформатор, в этом случае с промышленной частотой, либо альтернативно посредством установок преобразователя, которые производят более высокую частоту переменного тока.

Установки с техникой преобразователя переменного тока работают преимущественно в диапазоне средней частоты 110-1.000 Гц и, благодаря многим своим преимуществам, почти полностью вытеснили установки, работающие с промышленной частотой, при новых инсталляциях. Переменная и более высокая частота предоставляет возможность загружать печь без ущерба для производительности твердым материалом заготовок и безопасно подавать значительно более высокую мощность в сравнении с техникой, работающей на промышленной частоте.

Основания заключены во влиянии частоты на глубину проникновения и движение ванны: оба высвобождаются с растущей частотой (рис. 4). В начале развития среднечастотных установок стояли вращающиеся (электромашинные) преобразователи, последовавшие от электромагнитных преобразователей с увеличением частоты (3-х, 5-ти или 9-ти кратное увеличение промышленной частоты). Эти преобразователи известны, например, под обозначениями индукторов (150 Гц) и квинтдукторов (250 Гц).

Рис. 4: Воздействие частоты на скорость потока

Следует упомянуть также и ламповые генераторы, которые, однако, использовались преимущественно в диапазоне высоких частот и для небольшой производительности, как, например, для исследовательских работ и особых металлов.

В установках преобразователя переменного тока современной конструктивной модели питающий сетевой поток, проходящий через трансформатор преобразователя тока, сначала превращается в постоянное напряжение и соответственно постоянный ток, а затем в инверторе вырабатывается необходимое среднечастотное напряжение.

При этом задействуются как элементы полупроводника тиристоры, а также транзисторы, в данном случае типа IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Расположенная между индукционной печью и преобразователем переменного тока, батарея конденсатора образовывает с печью колебательный контур, который колеблется с его резонансной частотой (между 70 и 110% номинальной частоты, в зависимости от степени наполнения печи). Принципиальная структура конструкции как преобразователя параллельного колебательного контура отражена на рисунке 5.

Рис. 5: Переключение параллельного колебательного контура преобразователя (IGBT-технология)

Развитие преобразователя переменного тока привело к очень высокопроизводительным и надежным системам, которые работают с незначительными электрическими потерями и хорошей совместимостью сети, делают возможными исполнения различных металлургических запросов. Таблица 1 показывает отчетливое улучшение эффективности в течение развития преобразователей переменного тока.

Таблица 1. Коэффициент полезного действия различных установок преобразователя для индуктивного плавления

Необходимость использовать номинальную мощность дорогостоящего электрооборудования по возможности в полном объеме и непрерывно, а также на одной установке достигать по возможности более высокого плавильного результата, привела к развитию сдвоенных установок и техники DUOMELT. Здесь две тигельные печи присоединяются к установке преобразователя переменного тока, и суммарная мощность установки преобразователя переменного тока может разделяться подходящей схемотехникой на обе печи в любом соотношении (рис. 6).

Рис. 6: Схема техники DUOMELT

1.4 Техника управления процессом производства/JOKS

Только на автоматизированном и управляемым ЭВМ предприятии возможно использование преимуществ современных среднечастотных установок в полном объеме.

Наша система управления печи Junker Ofen Kontroll System (JOKS) обеспечивает постоянный контроль и автоматическое управление для всех требуемых функций и технологических операций печи во время цикла плавки. Процессор JOKS руководит обменом данных и информацией с системами управления более высокого уровня и обеспечивает протоколирование и оценку рабочих данных. Циклы процесса и рабочие параметры выводятся на экран и постоянно прослеживаются системой.

Основа данной технологии - это постоянный учет емкости печи посредством взвешивающего устройства, также расчет и подготовка необходимой электрической энергии для достижения желаемой температуры расплава, в зависимости от актуального веса загрузки. Как раз в фазе перегрева этот относящийся к процессу способ производства является существенным защитным фактором, следует представить достигаемые здесь скорости перегрева в размере до 45 K/мин. Таким образом, предотвращается всякий излишний перегрев, следовательно, экономится энергия и снижаются потери металла при окислении (оксидированием). Если плавятся различные сплавы с отклоняющимся теплосодержанием при плавлении, то электронно-вычислительная машина это учитывает, прибегая при этом к некоторым специфическим энергетическим значениям.

JOKS гарантирует надежное и прозрачное управление и контроль всех необходимых для плавления функций и течения процессов и заботится о обмене данными и информацией с вышестоящими руководящими системами и для протоколирования данных шихтовки.

При этом интегрируется во многих случаях система наблюдения, управления и визуализации общей цепи процесса загрузки, плавления, корректировки анализа и работа всех вспомогательных и навесных агрегатов в систему (JOKS) (рис. 7).

Схема JOKS

Рис. 7: Обзор техники управления производством

2. Выбор подходящей установки

2.1. Размер печи и производительность

Максимальная загрузочная мощность тигельной печи зависит от ряда факторов, при этом решающая роль отводится допустимому движению ванны. Так как движение ванны уменьшаться с растущей частотой, и усиливается с более высокой электрической мощностью, при одинаковом размере печи при более высокой частоте может реализоваться более высокая производительность, исключая опасность металлургического брака и сильного вымывания тигля. Если максимальная производительность тигельной печи составляет для чугуна при частоте сети от 300 до 350 кВт на тонну ёмкости печи, то предельное значение печи с частотой от 250 Гц составит около 1.000 кВт/т (рис. 8).

Рис. 8: Высокопроизводительная среднечастотная плавильная установка - 12 т установка DUOMELT номинальной мощностью 9.000 кВт

Это действительно для печи вместимостью до 12 тонн. При плавлении производных чугунов работа ведется, как правило, с частотой 250 Гц, но в редких случаях в более маленьких печах (менее 1.000 кг) плавление осуществляется с более высокой частотой. Для достижения усиленного движения ванны, которое, в частности, существенно ускоряет замешивание карбюризаторов и легирующих элементов, оказалось пригодным переключение 250 Гц на более низкую частоту, например, до 125 Гц.

Предельная производительность у высокопроизводительных индукционных печей повышенной частоты определяется при этом не только движением ванны, но и максимальными значениями для тока и напряжения, допустимой индукцией в пластинах трансформатора, а также охлаждением индуктора.

Так как общий коэффициент полезного действия плавильной установки, как это отражает уравнение

значительно зависит от отношения значения тепловой выдержки к номинальной мощности, снижается специфическое потребление электроэнергии с растущей номинальной мощностью при равном размере печи.

По экономическим и энергетическим причинам имеет смысл использовать, по возможности, более компактную печь с высокой производительностью, так как она обнаруживает более ограниченное потребление электроэнергии и приемлемую стоимость монтажа и капиталовложений. Дела обстоят иначе, если, например, по техническим причинам требуется большой запас объема для заливки очень больших отливок.

Рис. 9: Номограмма определения параметров плавильной установки

Относительно подключения большой, но со слабой производительностью печи установлена практическая граница. Номинальная мощность не должна быть менее, чем четырехкратное значение тепловой выдержки, чтобы достичь, во-первых, приемлемого потребления электроэнергии и, во-вторых, достойной производительности литья. К примеру, плавильная печь вместимостью 8 тонн должна выдавать минимально номинальную мощность 800 - 1.000 кВт (рис. 9).

Специфическое теплосодержание для плавления и нагревания нелегированных материалов чугуна до 1.500 °C составляет около 390 кВт/т. Если рассматривать конкретную печь, то получаем следующие данные: сумма электрических и тепловых потерь современной десятитонной среднечастотной печи составляет около 126 кВт/т, вместе с тем практическое потребление электроэнергии для чистого плавления - около 516 кВт/т (таблица 2). Это значит, что при максимальной удельной мощности 1.000 кВт/т все содержимое печи выплавляется за 31 мин.

Таблица 2. Потребление энергии и потери (Пример: среднечастотная тигельная печь 8.000 кг / 8.000 кВт / 250 Гц чугуна; 1.500°C)

Дополнительное время для удаления отходов, отбора пробы, корректуры анализа и разливки следует устанавливать 15 - 20 минут, как указано в таблице 3. Вместе с тем общее время цикла составляет около 45 - 50 минут. Поэтому нет смысла, внедрять очень "быструю" печь, если даже дополнительное время не сокращается настолько, как это возможно, или вступает в действие сдвоен-ная установка. Поэтому при планировании и оформлении плавильной установки следует придавать значение оптимизации этого дополнительного времени. Сюда включается также своевременная поставка точно взвешенных шихтовых материалов и их бесперебойная и непрерывная загрузка.

Таблица 3. Типичное дополнительное время при плавлении чугуна (ёмкость печи 6-8 т)

Большое преимущество сдвоенной установки в технике DUOMELT состоит в том, что, в то время как в одной печи проводятся дополнительные работы, в другой с лишь незначительно сокращенной производительностью уже снова может осуществляться плавление. Вместе с тем установленная мощность преобразователя переменного тока используется сверх общего времени более чем 95% к плавлению, и вместе с тем достигается максимальная пропускная способность.

Рисунок 9 поясняет связь между номинальной мощностью, производительностью плавки и размером печи с учётом дополнительного времени. В установках Monomelt дополнительное время ведёт к сокращению коэффициента использования номинальной мощности установки преобразователя и вместе с тем к ограниченной производительности плавления, в то время как в установках DUOMELT всегда может использоваться для плавления полная номинальная мощность.

Энергетически оптимальная величина печи получается из максимальной удельной мощности (верхняя линия). Из нижней линии можно получить минимальную производительность на размер печи.

При выборе подходящей плавильной установки относительно размера печи и производительности следует, конечно, исполнять преимущественно технологические требования, которые получаются из веса разливки, величины ковша и потребности жидкого металла. Поэтому на практике часто сложно выбрать энергетически оптимальную удельную мощность.

2.2 Система преобразователя частоты

Преобразователи параллельного колебательного контура запатентованной конструкции OTTO JUNKER (рис. 10) были разработаны специально для применения на индукционном плавильном оборудовании и отмечаются своей надежной и безопасной работой, даже при экстремальных нагрузках. Цифровой блок управления преобразователем ZEUS гарантирует постоянную производимую мощность на протяжении всего теплового цикла. Система обеспечивает отличную регулировку колебаний напряжения питающей сети и режима нагрузки.

Рис. 10: Установка преобразователя частоты на 12.000 кВт

Характерные особенности преобразователя параллельного колебательного контура:

• Крепкая схема связи d.c. со сглаживающим реактором для высокой рабочей надежности.

• Малая нагрузка на инвертирующий усилитель мощности, теперь надо манипулировать только с активным током (не с током печи, который выше на коэффициент от 5 до 10).

• Высокий электрический кпд.

• Низкое загрязнение питающей сети.

• Опционально 6, 12 или 24-импульсное исполнение.

• Легкое техобслуживание и доступ.

Выпрямительный и инверторный мосты применяются на мощных водоохлаждаемых тиристорах.

Кроме данного решения по тиристорам, OTTO JUNKER использует транзисторы передовой технологии (IGBT) для секции инвертора при сохранении проверенного принципа параллельного колебательного контура для сниженных нагрузок на инвертор.

Дополнительные характеристики преобразователя IGBT:

• Превосходная собственная защита от пиковых значений тока, напряжения и температуры.

• Постоянно высокий коэффициент мощности (cosine phi), приближающийся к 1,0 на входе в преобразователь.

• Менее строгие требования к охлаждающей воде благодаря охлаждению с промежуточным холодоносителем.

2.3. Схемотехника

Для достижения оптимальных условий для решения специальных металлургических задач производительностью и частотой установки печи можно управлять целенаправленно, а также осуществлять концентрацию мощности в определенных местах по высоте индуктора печи.

Для решения вышеуказанных задач, OTTO JUNKER разработал специальные варианты переключения: Power-Focus-Technik (техника силового фокуса) и Multi-Frequenz-Technik (многочастотная техника) и успешно реализует их в многочисленных установках.

Техника силового фокуса дает возможность автоматического или свободного выбора концентрации мощности в области индуктора, где это требуется (внизу или вверху). Так при полузагруженной печи может производиться, например, концентрация мощности в нижней области тигля и вместе с тем достигается более высокая потребляемая мощность. В другом случае при комплектной загрузке печи может повышаться мощность в верхней области индуктора, за счет чего благодаря более сильному движению ванны достигается лучшее замешивание, например, стружки (рис. 11).

Рис. 11: Схема Power-Focus-Technik

Многочастотная техника позволяет осуществлять переключение производственной частоты в течение процесса плавки. Например, материалы заготовки плавятся с подходящей частотой 250 Гц. Для добавления карбюризатора и легирующих добавок производится автоматическое переключение на более низкую частоту, например, до 125 Гц. Как показывают проведенные опыты (рис. 12), процесс науглероживания может существенно ускоряться при переключении на более низкую частоту. Нельзя не упомянуть о том, что возможна также комбинация обеих схемотехник, благодаря чему желаемые эффекты еще усиливаются.

Рис. 12: Multi-Frequenz-Technik

3. Влияние режима эксплуатации и способа производства на потребление энергии

3.1. Плавление

Оптимизированная техника среднечастотных установок гарантирует минимальные термические и электрические потери. Точный учет веса шихты, расчет и снабжение необходимым количеством энергии с помощью процессора и точный, управляемый ЭВМ режим эксплуатации создают очень хорошие условия для экономии энергии во время плавления. Прежде чем перейти к более подробному описанию потребления энергии для плавления, необходимо отметить, что в состав плавильного комплекса входят такие вспомогательные агрегаты:

• установка сухого пылеулавливания;

• система оборотного охлаждающего водоснабжения, воздухоохладитель или градирня;

• гидравлические агрегаты и насосы;

• загрузочное устройство.

Данные агрегаты также расходуют электроэнергию, но по сравнению с потребностью в энергии для плавления, их потребление разумеется, совсем мало. Таким образом, для высокопроизводи-тельной установки с пропускной способностью более 15 т/ч сумма составит менее 10 кВт/т (рис. 13), т.е. около 2% от потребляемой энергии для плавления.

Рис. 13: Потребление энергии вспомогательными агрегатами

При теоретической потребности в энергии в среднем от 390 кВт/т для плавления чугуна до температуры 1.500 °C в современной среднечастотной тигельной печи требуется, с учетом всех тепловых и электрических потерь, не более чем 490 - 520 кВт/т (рис. 14). Однако фактически в производственной практике расходуется до 700 кВт/т и более.

Рис. 14: Типичная диаграмма потока энергии

Где скрывается эта разница и как возможно ее минимизировать?

Для этого необходимо рассмотреть в дальнейшем производственный режим печи и ее воздействие на потребление энергии.

Загрузочные материалы и шихтовка

Точный расчет необходимого состава шихты на основе анализа химического состава шихтовых материалов, точное взвешивание и дозировка материалов загрузки и легирующих добавок, включая корректировку необходимого и фактического веса, являются предпосылками для избежания дополнительных затрат по времени и энергии в процессе плавления.

Загрузка чистого и сухого "возврата" оправдывается. Так как, например, для ошлакования пристающего песка (напр., при не очищенном оборотном ломе - "возврате") необходима точно такая специфическая энергия как для плавления железа, т.е. около 500 кВт/т. При реальном количестве песка от 25 кг на тонну железа - это уже 12,5 кВт/т. При другом количестве шлака цифра конечно повышается.

Еще более веским является воздействие ржавого материала загрузки, так как очень плохое соединение ведет к ограниченному потреблению мощности и существенно продлевает время плавления. В сравнительных опытах /1/ определялось потребление энергии и время цикла плавления чистого и сильно ржавого стального лома: ржавый стальной лом требовал 2-х, 3-х кратного времени для плавления и на 40 - 60% более высоких затрат энергии. Результаты экспериментов отражены в таблице 4. Даже если исходить из того, что эти значения представляют экстремальный случай, неблагоприятное влияние ржавого материала в составе шихты - значительно. Следует учитывать, что использование ржавого лома также приводит к образованию значительно большего количества шлака, так что следует избегать ржавого загрузочного материала.

Таблица 4. Влияние качества железного лома на потребление электроэнергии при 1.500°C

Плотность загрузки шихты в печь оказывает значительное влияние на скорость плавления и потребление электроэнергии. Посредством шихтовки с разной плотностью загрузки шихты в печь исследовалась эта связь на высокопроизводительной среднечастотной плавильной установке в условиях реального производства.

Тесты проводились на установке емкостью 10 т, номинальной мощностью 8.000 кВт при 250 Гц. Пустая печь плотно загружалась шихтой из доменного чугуна, чугунного лома, оборотного материала и стального металлолома. Без дошихтовки расплав был нагрет до температуры 1.380 °C и определено потребление электроэнергии.

С учетом различных габаритных размеров оборотного материала и стального лома была получена плотность загрузки от 2 до 2,7 т/м³. Результаты указывают на то, что при снижении плотности загрузки с 2,5 т/м³ до 2,0 т/м³ потребление энергии возрастает примерно на 25 кВт/ч (рис. 15).

По этой причине, несмотря на дополнительные расходы, является целесообразным измельчение громоздкого оборотного материала для достижения более высокой плотности загрузки. Вместе с тем, одновременно облегчается шихтовка и снижается опасность сводообразования в печи. На возможность экономии денег с введением в практику этого мероприятия (хотя измельчение оборотного материала, безусловно, овлечет дополнительные расходы) указывает пример американского литейного цеха /1/.

Рис. 15: Воздействие плотности загрузки шихты на расход энергии

Следует придать значение в отношении экономии времени и энергии за счёт быстрой и непрерывной загрузки шихты в печь. При этом, нужно постоянно стремиться к поддержанию высокой степени наполнения тигля печи. Для этого создаются предпосылки путем внедрения передвижных вибролотков с бункером, принимающим всю партию шихты.

Подключение вытяжного колпака, плотно стыкованного с лотком, минимизирует утечку излучений с одновременно хорошим захватом газа печи и, естественно, снижает расход электроэнергии.

Плавление стружки

С развитием производства в литейных цехах, а, следовательно, и с увеличением объемов обрабатываемых путем резки отливок накапливается все большее количество стружки, которую по возможности нужно использовать в собственном литейном производстве.

По сравнению с другими методами плавки, индукционная тигельная печь очень хорошо подходит для плавления отработанной стружки. Так как серый чугун режут, в общем, без добавления смазочно-охлаждающих жидкостей, стружка остается сухой и чистой, и ее можно переплавлять без предварительной обработки.

Несмотря на хорошую плотность прессования, стружка обнаруживает слабый электрический контакт, что обусловлено незначительной поверхностью соприкосновения и поверхностным окислением. Поэтому при плавлении стружки всегда необходимо работать с "болотом" (более 40%).

В режиме работы без "болота" следует рассчитывать при плавлении стружки на дополнительные затраты энергии от 50 кВт/т по отношению к работе с кусковым материалом; одновременно возрастает время выплавки.

Шихтовка стружки в может происходить либо непрерывно ("засыпанием"), либо печь наполняется стружкой до уровня активного индуктора. Компактное наполнение печи - без перегрузки печи - экономит 2-3% энергии и снижает окалину. Правда остается опасность сводообразования в материале. Если шихтовка состоит пропорционально из стружки и компактных материалов (возврат чугуна, чушка), то в начале нужно засыпать и расплавить компактный материал. Затем на образовавшееся "болото" помещается стружка.

Науглероживание

Способ ввода карбюризаторов влияет на потребление энергии, о чем свидетельствуют источники /5, 6/. Возникает явный перерасход, если карбюризатор не был заложен в начале процесса плавления вместе с металлическими материалами шихты, а только после получе6ния расплава (в жидкую ванну). Собственные практические опыты показывают, что в последнем случае дополнительно требуются около 1 - 2 кВт/кг карбюризаторов. При реальном значении от 2% карбюризатора, следует ожидать перерасход максимум 40 кВт/т железа. Указанный в нескольких публикациях средний размер 70 кВт/т железа для науглероживания безоснователен /7/.

Если карбюризатор загружается вместе с остальным материалом заготовки, то доза должна дозироваться соразмерно загрузке, чтобы содержание углерода образующегося расплава излишне не возрастало. В противном случае последствием может быть повышенный износ тигля. Следует избегать применения мелкозернистых неполноценных карбюризаторов, которые склонны к приклеиванию на стенки тигля. В таких случаях нужно ожидать локальных вымываний.

В дальнейшем следует обратить внимание, что в рамках типичной литейной шихтовки по возможности после науглероживания нужно предпринимать добавление носителей кремния, так как с повышенным содержанием кремния в расплаве уменьшается растворяемость углерода и, кроме того, образуется более высокое количество окиси кремния.

Режим эксплуатации плавильной установки

Согласно теоретическим соображениям, энергетически наиболее благоприятным режимом работы печи является способ с максимальной возможной электрической производительностью и высокой удельной мощностью. Проведенные систематические опыты подтверждают это однозначно. Время цикла уменьшается, тепловые потери снижаются и, как следствие, сокращается потребление электроэнергии.

Как показывает диаграмма производительности 12-титонной печи (рис. 16), потребление электроэнергии экспоненциально поднимается с уменьшающейся удельной мощностью, так как при очень низкой удельной мощности привлечение энергии для покрытия статических тепловых убытков непропорционально высоко. Как описано в пункте 2.1, решающим здесь является отношение значения теплоты к номинальной мощности.

Рис. 16: диаграмма производительности 12 т печи

Сравнение плавления с 6.000 или 3.000 кВт показывает (рис. 16) разницу в потреблении электроэнергии 20 кВт/т.

Применение среднечастотной техники позволяет плавление без "болота" и плавление мелкокускового материала. Благодаря лучшему электромагнитному соединению жесткого материала заготовки (актуально только для материалов чугуна), в чистом циклическом режиме требуется энергия на 8% ниже, так как до точки Кюри достигается существенно более высокий КПД индуктора (рис. 17). Это преимущество можно использовать в среднечастотной технике, так как установки сетевой частоты можно приводить в действие только с "болотом".

Рис. 17: Влияние режима работы на КПД шихтовки

Аккумулированное тепло тигельной печи, т.е. необходимая энергия, чтобы нагреть холодную печь до полностью разогретого состояния, является как правило по фактору 3 - 5 больше чем затраты энергии для поддержания в теплом состоянии за сравнительный период. Таким образом, аккумулированное тепло 8-ми тонной печи составляет 800 кВт, т.е. для плавления партии в холодной печи необходимо на 100 кВт/т больше энергии, чем для плавления в полностью разогретой печи (рис. 18). Так как для поддержания в теплом состоянии расплава в час требуется только 25 кВт/т, т.е. только четверть от этого, имеет смысл, во время перерывов в работе продолжительностью менее 4 часов не охлаждать печь, а поддерживать теплоту с "болотом" из жидкого металла.

Рис. 18: Теплота хранения и значение выдержки в зависимости от размера печи

Кроме того, следует учитывать, что в любом случае наиболее благоприятно во время простоя огнеупорной футеровки печи постоянно поддерживать рабочую температуру или, по меньшей мере, не охлаждать и разогревать печь снова и снова. Негативное воздействие продолжительных периодов остановок с поддержкой производственного тепла на металлургическом качестве теперь, как правило, не регистрируется, благодаря современной технологии обработки и затравливания.

Энергия растрачивается дополнительно, если печь длиннее, чем необходимо и эксплуатирует-ся с открытой крышкой. Незначительные тепловые потери, например, только 275 кВт при 15-ти тонной печи возрастают затем до 600 кВт, таким образом, за минуту работы с открытой крышкой расходуется дополнительно 6 кВт.

Излишняя энергия "отсасывается" из печи, если отсасывающее устройство работает всегда с полной производительностью и незадросселированным, также тогда, когда не нужно отводить дымовые газы или поступает только их незначительное количество. Перерасход может в худшем случае доходить до 3%. Это соответствует 15 кВт/т чугуна.

Следующий пункт касается перегрева металла, так как для повышения температуры до 50 K все же требуется около 20 кВт/т. При подключении плавильного процессора JOKS конечная температура до 5 K может устанавливаться точно и вместе с тем предотвращается излишний перегрев.

Футеровка

Толщина стенки керамической футеровки печи (при плавлении чугуна задействованы почти исключительно массы кварцита) всегда предоставляет компромисс между высокой тепловой изоляцией, а также хорошей механической защитой индуктора и хорошим электромагнитным соединением между индуктором и расплавом.

С уменьшающейся толщиной футеровки улучшается КПД индуктора, повышается потребляемая мощность, но одновременно возрастают тепловые потери из-за тонкой стенки тигля. Разумеется, потери индуктора почти на один десятичный порядок выше, чем тепловые потери стенки тигля, так что влияние потерь индуктора здесь доминирует.

В рамках соответствующих исследований /1/ установлено явное сокращение потребления электроэнергии при уменьшающейся толщине футеровки (таблица 5). С возрастающим временем работы и вместе с тем возрастающим вымыванием футеровки потребление электроэнергии через 3 недели снижается почти на 10%. Влияние толщины футеровки на КПД индуктора представлено на рис. 19. Если исходить из предположения, что толщина футеровки за период 3 недель уменьшилась примерно на 30 мм, то при исходной толщине стенки футеровки 125 мм только рассчитанное снижение потребления энергии составит 3%.

Рис. 19: Влияние толщины футеровки на КПД индуктора

Этот размер не объясняет представленное в таблице 5 снижение потребления электроэнергии.

Таблица 5: Зависимость между степенью износа футеровки и потреблением электроэнергии (3-х тонная индукционная тигельная печь; 700 кВ / чугун)

Отсюда вытекает соображение, что необходимо проверить, можно ли отказаться в связи с подключением современной системы контроля тигля (напр. Optical Coil Protection System - OCP) от слишком сильной "защитной присадки" для толщины футеровки.

3.2. Тепловая выдержка и транспортировка жидкого металла

Если требуется поддерживать расплав при постоянной температуре, то необходимо уровнять тепловые потери печи снабжением энергии. Потери состоят из теплоты излучения поверхности расплава и прохода тепла через стенку тигля, причем потери излучения поверхности явно преобладают. Так как отношение поверхности ванны к общим объемам с растущим размером печи становится меньше, явно уменьшается специфическое значение удержания тепла с повышающейся емкостью. Таким образом, специфическое значение удержания тепла 2-х тонной печи составляет 48 кВт/т, тогда как у 20-титонной печи оно составит лишь 15 кВт/т.

Эти значения относятся к установкам с закрытой крышкой печи. Они быстро повышаются на 2-3 кратное значение, если работа ведется с открытой крышкой, и затем понижаются существенно медленнее с увеличивающимся размером печи (рис. 20).

Рис. 20: Влияние размера печи и режима эксплуатации с открытой и закрытой крышкой печи на тепловые потери

Поэтому еще важнее держать крышку печи именно в наиболее больших установках, по возможности, закрытой. Конечно, можно осуществлять тепловую выдержку и хранение жидкого металла в желобе печи, который демонстрирует еще более незначительное тепловое значение при одновременно более высоком КПД. Разумеется, подключение желоба печи в электрическом плавильном производстве оправдывает себя только тогда, когда требуется промежуточное хранилище в качестве буфера, или если необходимо собирать металл для очень больших отливок из нескольких загрузок. Но даже и в этих случаях предпочтительна большая тигельная печь, из-за более высокой гибкости.

Существенными являются потери температуры при выпуске и транспортировке жидкого металла на заливку. Сюда относятся также воздействия металлургической обработки вне плавильной печи, как, например, в случае производства чугуна с шаровидным графитом. Исходя из опыта, при каждом переливании металла следует ожидать потери температуры, которые возрастают с поднимающейся высотой отливки и понижающейся производительностью разливки. Для переливания из индукционной печи в транспортный ковш это значит: подвести ковш так плотно как возможно к корпусу печи и заливать непрерывно, чтобы избежать слишком большой потери температуры (рис. 21). На практике потери температуры составляют от 20 до 40 K при разливе среднечастотной тигельной печи. Таким образом, например, замер потерь температуры в литейном цехе OTTO JUNKER составил от 20 до 25 K при разливке 2-х тонной печи в предварительно разогретый разливочный ковш со стопором /8/.

Рис. 21: Слив металла в транспортный ковш

Если проводится обработка магнием после процесса переливания при заливке из тигельной печи в ковш, к этим потерям температуры добавляется потребность в энергии для расплавления и реак-ции легирующего состава магния. Соответствующие измерения на литейном заводе Вальтенхофен /9/ показали потери температуры 60 - 70 K для данного процесса (2-х тонный сифонный ковш).

Сюда же добавляется потеря энергии при хранении жидкого металла в ковше во время транспортировки и заливки.

Следует рассчитывать в заливочном ковше в конической формы (без крышки) при емкости от 1 тонны на падение температуры около 5 K/мин.

При этом, за время выдержки 10 минут потери составят 50 K; соответствующий перегрев в печи потребовал бы между тем дополнительно 20 кВт/т. Реальные значения для этого типа ковша указывают, что при пути перевозки 10 м и заливке 8 отливок по 125 кг, разница температуры между первой и последней разливкой составляет 50 K. Общие температурные потери в отношении выпускной температуры составляют около 80 K. Это невозможно изменить ни технически, ни энергетически, поэтому нужно либо использовать плавильную печь, либо осуществлять заливку одновременно несколькими маленькими ковшами.

Чем тоньше ковш, тем выше потери, так как отражающая металлическая поверхность меньше при равном объеме. Также с возрастающей емкостью явно уменьшается потеря температуры, так у тигельного ковша 4 т потери составят только около 2 K/мин (рис. 22). Сокращения температурных потерь можно достичь простыми средствами: если задействовать барабанный ковш, то падение температуры, как показано на рисунке 22, составляет только 2,5 K/мин., в отношении к ковшу 1 т. Также использование крышки ковша приводит к значительному сокращению температурных потерь.

Рис. 22: Влияние размера и типа ковша на потери температуры

Конечно, падение температуры в ковше можно минимизировать, улучшив тепловую изоляцию, либо выбрав толстую облицовку или футеровочный материал с ограниченной температурной проводимостью. Разумеется, здесь нужно учитывать повышение расходов.

Нельзя не упомянуть также о том, что хорошее предварительное прогревание ковша и достаточная сушка футеровки оправдывают себя.

При более дальних маршрутах транспортировки предпочтителен большой ковш - из-за меньших специфических потерь, причем с последующей переливанием на месте плавления в более мелкие ковши с целью достижения в сумме самых незначительных потерь и поддержания температуры литья на приемлемом уровне.

Другая альтернатива для снижения температурных потерь состоит в том, чтобы избежать переливания и использовать один и тот же ковш для транспорта, обработки магнием и разливки. Результаты производства с 400-килограммовым барабанным ковшом и выпускной температурой 1.530°C указывают, что даже при таком оптимизированном решении с общим временем 9 минут для транспортировки и обработки магнием последует падение температуры на 100 K /10/.

С возрастающей автоматизацией производства форм и потребности в очень узких рамках допустимых отклонений качества продукции внедрение плавильных печей и литейного оборудования становится все более необходимым. Применение приводимых в действие давлением плавильных печей способствует, в частности:

• тепловой выдержке и перегреванию (непосредственно в месте плавки);

• соблюдению равномерной температуры литья;

• уравновешиванию анализа;

• более длительному хранению обработанного чугуна с шаровидным графитом и автоматизации процесса литья.

Даже если бы можно было уравновесить температурные потери при транспортировке и распределении жидкого металла при использовании печи, правильно рассчитанного размера, установка плавильной печи не привела бы к абсолютной ликвидации ранее описанных потерь температуры.

Неоспоримым остается факт, что наибольшее внимание необходимо придавать распределению, транспортировке и переливанию жидкого металла, чтобы гарантировать хорошее качество литья с незначительными энергетическими затратами. Нет смысла прилагать усилия для оптимизирования процесса плавки относительно потребления энергии, если в примыкающем литейном производстве энергия раздаривается.

Для выявления слабых мест и резервов в литейном производстве необходимо произвести точный анализ временного и температурного режимов. На этой основе можно проводить оптимизацию литейного и плавильного производств.

4. Надежная эксплуатация печной установки

Ниже представлены обязательные защитные устройства индукционной печи, а также дальнейшие мероприятия для еще лучшей защиты установки и обслуживающего персонала:

Аварийный слив

В случае аварии требуется опорожнить печь по возможности быстро. Также при продолжительном нарушении электроснабжения печь нужно освободить, во избежание застывания жидкого металла в печи. Таким образом, требуется дополнительный независимый от электросети привод гидравлических насосов гидравлического агрегата для наклона печи. Подача энергии к насосам происходит либо от вмонтированных газоприводных насосов, либо от агрегата резервного энергоснабжения.

Аварийный приемный котлован

Аварийный приемный котлован необходимо оборудовать под каждой печью и его местоположение и размеры рассчитать таким образом, чтобы могло поместиться все содержимое печи. При этом важно, чтобы конструкция котлована в любом случае предотвращала накопление воды (грунтовые воды), во избежание взрыва при попадании жидкого металла. Соответствующие нормы изготовления изданы Объединением немецких литейщиков, г. Дюссельдорф.

Аварийное водоснабжение

При нарушении электроснабжения, также после последовавшей аварийной очистки печи, в течение нескольких часов водой должен охлаждаться индуктор печи, во избежание повреждения индуктора или его изоляции. Для этого либо водопроводная вода поступает через открывающийся без тока электромагнитный вентиль непосредственно к индуктору, либо приводы системы оборотного охлаждающего водоснабжения снабжаются от агрегата резервного энергоснабжения. Еще одна возможность состоит в том, чтобы поддерживать нормальное водоснабжение охлаждающей воды с помощью водопроводной турбины. Конечно, можно доставлять вводу из большой высокой емкости для охлаждения установки, при условии достаточного напора (минимум 2 бар) и количества воды.

Предохранение котлована

Возникающее при опрокидывании печи отверстие к котловану печи необходимо закрывать, чтобы предотвратить падение или защемление. По этой причине печь оснащена устройством предохранения котлована, которое автоматически выезжает при опрокидывании печи и запирает отверстие.

Защита от электромагнитных полей

Магнитное поле управляется короткозамыкающим кольцом, размещенным поверх активного индуктора, и магнитопроводами, радиально расположенными вокруг индуктора, таким образом, что может возникнуть только незначительное поле рассеяния. Проведенные на нескольких установках OTTO JUNKER измерения электромагнитных полей в рабочем диапазоне подтвердили, что фактические значения являются очень низкими, намного ниже предельно допустимого уровня /11/. Оптимальное исполнение и определение размеров установки, в частности, магнитопроводов, принимая во внимание специфическую номинальную мощность и рабочую частоту, обеспечивали хороший результат. Нельзя допускать, чтобы индукционная тигельная печь действовала без короткозамыкающего кольца и магнитопроводов, в противном случае слишком сильное электромагнитное поле грозит нанесением ущерба здоровью.

Устройства защиты электрооборудования

В случае опасности или во время ремонтных работ и технического обслуживания печи и распределительной установки необходимо переключить установку в обесточенный режим, тем самым исключить возможность ошибочного включения. Во многих местах установки вмонтированы четко обозначенные переключатели NOT-AUS, которые приводят в действие запорное устройство силового включателя. Силовой выключатель выключается только тогда, когда открывается одна из дверей следующих панелей управления:

• панель управления преобразователя переменного тока, функциональная часть;

• панель управления контура фильтров;

• панель управления конденсаторов.

Заземление - пробой тигля - система контроля

Эта система, во-первых, сигнализирует о предстоящем пробое тигля и, во-вторых, извещает о коротком замыкании на землю в электрооборудовании (индукторе, рельсах, конденсаторах, реле и т.д.). Для этого предусмотрена антенна в днище печи (см. рис. 23), которая заземляет ванну. Индуктор управляет потенциалом соответствующего измерительного напряжения. В случае пробоя тигля ток протекает между индуктором и потенциалом земли, который регистрируется омметром. Заземление ванны защищает также обслуживающий персонал, например, при измерении температуры расплава.

	1. Расплав 2. Керамический тигель 3. Теплоизоляция 4. Футеровка с сенсорным кабелем ОСР 5. Токовый индуктор 5а. Охлаждаемый индуктор 6. Верхняя часть печи 6а. Носок печи 6б. Носок для отшлаковки 7. Магнитопровод 8. Гаситель вибрации 9. Антенна контроля заземления 10. Рама печи
Рис. 23: Конструкция тигля с системой ОСР

Система контроля индуктора OCP

Надежная защита индуктора от слишком высоких температур и еще более от контакта с жидким металлом имеет решающее значение для безопасной эксплуатации печи. По этим причинам в прошлом были развиты и введены в действие различные технические системы для контроля состояния тигля. Недостатки прежних систем состоят с одной стороны в отсутствии подлинной системы предварительного оповещения и локализации, в помехах, создаваемых магнитным полем печи, и во влиянии сборки и содержания воды на футеровку с другой стороны. С разработкой новой системы Optical Coil Protection System (OCP) было достигнуто новое качество контроля тигля /12/. Система OCP - это система измерения температуры и система контроля самого нового поколения, обслуживаемая волоконно-оптическими датчиками, которые особенно хорошо подходят для безотказного контроля тигля в индукционных тигельных печах и содействуют непосредственному и независимому определению температурных полей. Температурное поле измеряется повсеместно в непосредственной близости от индуктора (рис. 23).

Рис. 24: Монтаж сенсорного кабеля ОСР

Преимущества этой системы кратко представлены ниже:

• очень высокое местное разрешение и измерение температуры с разрешающей способностью менее 1 K;

• запись и отображение хода температуры по всему движению тигля;

• непосредственный оптический метод измерения температуры, не электрический метод;

• предварительное оповещение по достижении критической температуры.

Этот метод распределенного измерения температуры волоконно-оптическими датчиками созрел и с давних пор успешно зарекомендовал себя пригодным в качестве центральной системы безопасности в более 300 установок во всем мире, как, например, в системах противопожарного контроля в современных дорожных тоннелях.

Продолжительное тестирование системы проводилось с начала мая 2004 на предприятии Affilips, пользующемся хорошей репутацией, в г. Тинен (Бельгия). К системе относятся наряду с сенсорным кабелем устройство формирования сигнала и соответствующий дисплей для визуализации измеряемых температурных полей. Введение в работу происходило на трехсменной вакуумной индукционной плавильной печи, объемом 2,51, в которой производятся легирующие составы с составом критическим для материала тигля. В этой печи задействуются готовые тигли с забутовкой сухими массами. Состояние спекания этой забутовки является у этой установки релевантной величиной индикатора для необходимой новой футеровки и, соответственно, для изменения тигля. Если спекание слишком преувеличено, возрастает опасность образования металлических языков и тигель очень сложно поддается демонтажу.

Для использования системы контроля тигля не нужно было проводить реконструкцию печи. Сенсорный кабель OCP наносится непосредственно на индуктор печи (рис. 24) и затем заливается перманентной футеровкой. Для соединения с устройством, формирующим сигнал, необходимо было лишь сделать отверстие величиной около 15 мм для проведения кабеля.

Наряду с доказательством надежности и безотказной эксплуатации должно было быть найдено подтверждение точности локальных температурных показаний и своевременное обнаружение трещин тигля и вместе с тем просачивания в массе для набивки, локальные вымывания и нормальный износ жаростойкого материала.

Свой испытательный срок система OCP прошла, когда по прошествии половины обычного времени работы тигля было показано локальное критическое повышение температуры (рис. 25). На основе этого сигнального сообщения печь была опорожнена и выломана: точно в том месте, где регистрировалась аномалия, находилась трещина тигля и следовательно металл проникал в массу для набивки.

Рис. 25: Визуальная система контроля состояния тигля печи а) нормальное состояние футеровки тигля б) аварийное состояние футеровки фигля (система регистрирует проход металла)

Защита воздухоохладителей от мороза

Безотказная работа систем оборотного водоснабжения, которые заботятся об ослаблении неизбежных тепловых потерь, необходима для надежного функционирования процесса плавки.

Вода является по-прежнему наилучшей охлаждающей средой. Однако ее использование имеет, к сожалению, недостаток, т.к. при отрицательных температурах вода замерзает и может вызвать тем самым разрушение трубопроводов и охладителей, если это не предотвратить при помощи дополнительного отопления или гликольными примесями. Для надежной защиты от мороза (до минус 20°C) необходимо добавление в воду 35% гликоля и его содержание следует постоянно контролировать. Немало систем оборотного водоснабжения замерзли и разрушены, потому что в составе воды отсутствовал или находилось слишком мало гликоля, и не производился необходимый контроль.

С новой системой, которая успешно действует уже во многих установках, охладители могут безотказно эксплуатироваться без гликоля или дополнительного отопления даже зимой. Принцип новой запатентованной системы состоит в том, что имеются 2 технологических режима: нормальный и специфический режим при низких температурах (рис. 26). При нормальном режиме в охлаждающем контуре находится как обычно прохладный воздух. При низких температурах - измеряется наружная температура и температура воды - происходит автоматическое переключение на специфический режим. Это значит, что воздухоохладитель изымается из циркуляции воды. Охладитель полностью опорожняется в промежуточную емкость, и охлаждение обеспечивается затем этой краткой циркуляцией. Если температура воды поднимается над пороговым уровнем, воздухоохладитель снова периодически включается.

Рис. 26: Схема нового воздухоохладителя

Следует упомянуть такие преимущества:

• отсутствие риска замораживания установки;

• не требуется контроль содержания гликоля или дополнительного отопления;

• отсутствие расходов на гликоль или отопительную энергию;

• в случае аварийной подачи воды не требуется добавление гликоля в водопроводную воду.

Опрокидывание печи

Техническое решение, облегчающее работу с печью и повышающее надежность, представляет собой ступенчатое опрокидывание тигельной печи. Именно при работе с большой печью, в частности, при ее неполном наполнении удаление шлака становится утомительной и небезопасной задачей. Наклон в удобную заднюю позицию на угол до 30° значительно облегчает процесс скачивания шлака из печи.

Разбрызгивание / выброс металла

При ведении плавки в высокопроизводительной среднечастотной печи, в случае использования в качестве шихты сильно ржавых и тонкостенным материалов, в фазе перегрева может приводить иногда к разбрызгиванию металлических капель и частично к выбросу металла. Причина этого - образование окиси углерода, причем кислород, появляющийся над оксидом железного лома вступает в реакцию с растворенным в расплаве углеродом /13/.

Чтобы создать возможность для отвода образующихся газов, печь следует эксплуатировать всегда таким образом, чтобы форма ванны металла в печи всегда имела четкий закругленный наконечник при сильном движении ванны (рис. 27). При этом решающую роль играет состояние ванны в печи, точнее интервал между верхним краем активной токовой катушки и уровнем расплава в печи.

С определенного интервала, давление металлической шихты на жидкий металл станет больше чем электромагнитные силы, в этом случае не сможет образовываться закругленный наконечник ванны с сильным движением ванны. Вместе с тем возникающие газы не смогут отводиться, поэтому они накапливаются внутри расплава и затем при соответствующем высоком давлении газа взрывообразно выносятся на поверхность. Для действующей установки печи выход из создавшегося положения можно найти путем сокращения производительности или понижения уровня ванны.

Для новой конструкции эта опасность исключается оптимизацией установки печи относительно параметров производительности, частоты и расположения индуктора. Схемные меры переключения частоты (многочастотная техника) и концентрация производительности (техника силового фокуса) предлагают следующие технические возможности для минимизации или предотвращения выброса. С помощью цифрового моделирования протекания процесса можно провести предварительный расчет и соответственно выбрать оптимальный режим ведения плавки.

Рис. 27: Сильное движение ванны (расчетный пример)

Откачивание газов печи

Образовывающиеся при плавлении пыль и газы нужно по возможности полностью задержи-вать и очищать в фильтрующей установке. Цель - соблюдение установленных законодательством предельно допустимых значений по пылеобразованию на рабочем месте, а также допустимых эмиссионных показателей. Задержание пыли вытяжными колпаками, в которых интегрирована крышка печи, представляет собой, без сомнения, хорошее решение (рис. 28). Только в маленьких печах до 2 т имеет смысл использование отсоса через кольцевой канал (рис. 29).

Достаточное количество воздуха с соответствующим низким давлением имеет решающее значение для возможно более полного задержания печной пыли, также для максимально более тесной стыковки вытяжного колпака с головкой печи и шихтовым желобом. Мощность отсоса должна регулироваться, чтобы работать только в случае необходимости, например, при загрузке с большим потоком воздуха, и с другой стороны, при тепловой выдержке с незначительной мощностью отсоса.

Рис. 28: Система обеспыливания с соединеной крышкой	Рис. 29: Кольцовой тип системы вентиляции с маятниковой крышкой

Колпаки нужно выполнять таким образом, чтобы во всех позициях печи и при всех манипуляциях происходил достаточный отсос газов из печи.

В настоящее время OTTO JUNKER использует вытяжную систему Robin Hood (rotating bidirectional - вращающаяся в двух направлениях) (рис. 30). Независимо от положения печи, Robin Hood улавливает всю пыль и газы, образующиеся в процессе плавки, и надежно доставляет их в систему фильтров.

Основные достоинства системы Robin Hood:

• Высокая эффективность улавливания благодаря низкому сопротивлению потока и благоприятным условиям вытяжки.

• Плоское исполнение и низкая потребность в пространстве облегчают манипуляции с ковшом.

• Снижение тепловой нагрузки на окружающую среду в рабочих зонах.

• Концентрация пыли и уровень выбросов на рабочем месте поддерживаются, конечно, ниже применимых по закону пределов.

Загрузка/плавка	Скачивание шлака	Выдержка

Разливка	Обратная заливка	Выбивка тигля
Рис. 30: Вытяжная система Robin Hood

5. Модернизация и развитие существующих установок

Модернизация и развитие существующих установок предлагает большой потенциал для экономии энергии, повышения производительности и снижения времен простоя. Так как по отношению к капиталовложению в новое строительство расходы на это значительно ниже, а также требуется меньше времени для монтажа, стоит внимательно изучить этот путь.

Современная среднечастотная техника преобразователя частоты переменного тока в соединении с актуальной техникой управления процессом производства для снижения энергетических затрат и повышения продуктивности более старых установок предлагает следующие существенные отправные пункты:

• КПД современных преобразователей переменного тока составляет 96-97,5%, в то время как КПД более старых установок преобразователей (например, квинтдукторов), как правило, менее 88%.

• Переоборудование установок промышленной частоты на среднечастотную технику делает возможным плавление без "болота", так возможен запуск в действие с твердым материалом шихты в циклическом режиме. Вследствие этого при плавлении материалов чугуна достигается лучшее электромагнитное соединение и экономится в результате около 8% энергии.

• Переоборудование установок промышленной частоты на среднечастотную технику частоты позволяет реализовать более высокую удельную мощность. При более высокой удельной мощности время плавления и тепловые потери сокращаются, таким образом, экономится энергия.

• Современные установки преобразователя переменного тока с цифровым управлением выделяются значительной автоматической функцией распределительного устройства и улучшенным контролем и наблюдением за всеми процессами при помощи процессора плавки JOKS.

• Так как никакие механические переключатели не используются, затраты на техническое обслуживание значительно сокращается и регулирование производительности может происходить без этапов.

Отправным пунктом всех размышлений всегда должен быть анализом актуального состояния и слабых мест имеющейся установки; так же нужно ясно сформулировать целевые установки модернизации. Нет смысла инсталлировать новую установку преобразователя переменного тока в технически устаревшей печи, ведь вместе с тем придется смириться с рядом уступок, если уже очевидно, что и без того через 2 года потребуется новая печь. С другой стороны, в результате ремонта старых элементов установки можно зачастую достичь существенного продления срока службы и снижения времени простоя. В анализ следует включать также затраты на техническое обслуживание и содержание в исправности, а также необходимость иметь в распоряжении запасные части для имеющейся установки.

Все это значит, что только в отношении конкретной отдельно взятой установки можно определить, какие меры являются рациональными. Для модернизации и развития имеющейся индукционной тигельной печи принимаются в расчет, в частности, следующие возможности для определенных производительностью агрегатов:

• Переоборудование установок промышленной частоты на среднечастотную технику.

• Замена более старых установок преобразователя переменного тока (квинтдукторов и пр.) на современные среднечастотные распределительные установки.

• Переоборудование Monomelt-установки на сдвоенную установку (оборудование второй печи).

• Внедрение установки преобразователя с более мощной работоспособностью.

• Перевод на современную систему управления установкой на базу SPS и внедрение процессора литья JOKS.

• Добавление современных контрольных систем (например, контроль тигля OCP).

Ниже представлены примеры реализованных проектов модернизации и расширения установок, достигшие положительных результатов.

Переоборудование установок промышленной частоты на современную технику преобразователя переменного тока IGBT

Прежде всего, необходимо кратко прокомментировать успешное переоборудование 2 тигельных печей промышленной частоты на производстве фирмы Soer-Norge Aluminium AS в Хуснес, Норвегия.

Целевая установка для модернизации более чем 20-летних печных установок емкостью 2 т чугуна состояла в том, чтобы улучшить применяемость и увеличить пропускную способность. Чтобы ограничить расходы и срок монтажа, безусловно, модернизацию необходимо было сконцентрировать только на необходимых частях установки. Так в распоряжении было только 5 дней для монтажа каждой установки, уже на шестой день последовало введение в эксплуатацию и тестирование работоспособности.

Модернизация охватывала в целом поставку трансформаторов преобразователя тока, двух современных установок преобразователя переменного тока IGBT с модулем конденсатора, дополнительной оборотной системой водоснабжения для обоих преобразователей, монтаж взвешивающих устройств, установку процессора плавки JOKS, а также набор новых индукторов. Современное управление установкой типа Siemens S 7-300 и визуализация всех функций и процессов на ПК Siemens типа 670 завершали комплектацию.

Новое распределительное устройство IGBT было рассчитано на номинальную мощность 750 кВт и частоту 100 Гц. Выбор частоты определило предположение, что можно будет плавить без "болота" и таким образом будет достигнуто явное преимущество перед старыми установками промышленной частоты. Переход на циклический режим и новую технику преобразователя переменного тока привели к снижению энергетических затрат для плавления приблизительно на 10%.

Замена квинтдукторов на новую технику преобразователя переменного тока

Пользующийся хорошей репутацией литейный цех Nippes и Schmidt в Золинген (Германия) внедрил в 1965 одну из первых среднечастотных тигельных печей OTTO JUNKER с квинтдукторной техникой преобразователя переменного тока; в 1970 году была заказана следующая установка печи этой конструкции.

Спустя 30 лет надежной работы печей в 2001 году проводилось переоборудование на современную технику преобразователя переменного тока. При этом удалось ограничить затраты на переоборудование: были вмонтированы лишь новые преобразователи переменного тока (600 или 500 кВт) с соответствующими трансформаторами и шкафы управления. Все прочие узлы, такие как печные агрегаты (емкостью 500 и 1.000 кг), рамы конденсатора и оборотная система водоснабжения можно было сохранить неизменными. По прошествии короткого времени монтажа установки были успешно введены в производство.

Достигнутая экономия энергии и повышение производительности примерно на 12% явилась результатом низких потерь современных установок преобразователя переменного тока, так как суммарная мощность не повышалась.

Также в литейном цехе Bruzaholms Bruk в Швеции проводилось успешное переоборудование старой плавильной печи с квинтдукторной распределительной установкой на современный тиристорный преобразователь частоты переменного тока. Установка состоит из 21,5-тонной печи с номинальной мощностью 1.200 кВт.

При этом комплектную установку печи включая индуктор, магнитопровода и гидравлику, как и комплектную оборотную систему водоснабжения можно было сохранить для контура печи.

Обновлялось лишь электрическое распределительное устройство: квинтдуктор был заменен тиристорным преобразователем частоты переменного тока и поставлялся новый трансформатор преобразователя тока. Новая установка преобразователя переменного тока выполнена в технике DUOMELT, так что распределение производительности может происходить бесступенчато на обеих печах.

Объем поставки комплектовался новой оборотной системой водоснабжения для преобразовательного контура охлаждения. Размер капиталовложений составил лишь около четверти капиталовложения в новое строительство. Приостановка производства для перестройки ограничивается очень коротким периодом.

В результате достигнуто (при неизменной номинальной мощности 1.200 кВт) снижение потребления энергии с 630 на 535 кВт/т и, вместе с тем, экономия 15%. При плавлении 4.000 т жидкой стали в год экономия энергии в итоге составляет 380.000 кВт.

Повышение производительности плавки с 1,3 т/ч на 1,85 т/ч следует из более низкого потребления энергии и лучшего использования суммарной мощности благодаря внедрению техники DUOMELT.

Установка преобразователя переменного тока определялась резервом мощности от 300 кВт, так что возможно дальнейшее повышение пропускной способности при дальнейшем оборудовании новыми более крупными печными агрегатами.

Замена старой Siemens-установки преобразователя переменного тока

Siemens установка преобразователя переменного тока для 10-титонной печи для тепловой выдержки сталелитейного цеха SCHMOLZ+BICKENBACH GUSS GmbH & Co. KG, завод Krefeld, состарилась: увеличение технических потерь, высокие расходы на ремонт и отсутствие запасных частей требовали установки нового, современного распределительного устройства.

Особенность данного проекта состояла в том, чтобы не только наладить связь с чужим агрегатом печи и периодически модернизированным оборудованием управления и обслуживания, но и далее использовать имеющийся трансформатор преобразователя тока.

Внедрялись тиристорный преобразователь частоты переменного тока с номинальной мощностью 1.200 кВт с цифровым управлением и соответствующий модуль конденсатора.

Для интерфейса между имеющимися модернизированным сферами управления и обслуживания были изготовлены в качестве сигнала непрерывные величины преобразователя и отображающиеся на отдельном табло шкафа преобразователя сообщения о помехах, которые дополнительно передавались в сферы управления и обслуживания.

Посути дела не модернизация, а интеграция новой установки преобразователя переменного тока в имеющеся оборудование является доказательством возможности успешного осуществления очень специфических решений.

Применение современных систем управления установками

Перед турецкой дочерней фирмой немецкого предприятия "E.G.O. Elektro-Gerдtebau" стояла следующая задача: модернизировать имеющееся литейное производство при наличии ограниченного бюджета, а также снизить потребление энергии.

Данное литейное производство вблизи Стамбула состоит из 6 печей промышленной частоты ёмкостью по 3 тонны каждая, которые питаются попеременно от 5 распределительных устройств с мощностью 800 кВт.

Данная модернизация охватывает современное управление и обслуживание установки на основе программируемого контроллера (SPS) S7-300 производства фирмы Siemens, а также новую панель управления с отображением текстовой информации на встроенном мониторе.

Новая система управления значительно содействует автоматической работе установки: теперь автоматически регулируются и контролируются соответственно заданному потреблению энергии компенсация, плавка и теплая выдержка.

Рис. 31: До - имеющаяся система управления установкой на фирме E.G.O.	Рис. 32: После - новая система управления на фирме E.G.O.

В результате подтвердились экономия энергии и повышение производительности плавки, а также отчетливо улучшилась и надежность (безопасность) установки в целом.

На рис. 31 и 32 можно увидеть и сравнить систему управления установками до и после успешной модернизации.

Модернизация установки типа Monomelt в установку тандемного типа

Литейный цех одного из финских предприятий эксплуатировал на первом этапе установку типа Monomelt с преобразователем переменного тока в 3.800 кВт номинальной мощности, которая состояла из одной печи для плавки чугуна ёмкостью в 3 тонны. В целях увеличения производственной мощности была добавлена вторая печь, и было активировано компьютеризованное устройство коммутации на двух печах.

Исходный пункт этой модернизации образовывает анализ вспомогательного времени на установке типа Monomelt, которое находилось в сумме при минимуме от 10 минут загрузку. В это время наличествующая мощность преобразователя не могла быть использована для плавки.

Проведённый расчет перед закупкой второй печи исходил из того, что в течение этих 10 минут более 95% мощности преобразователя во второй печи могут использоваться для плавки металла.

В итоге данной модернизации повысилась производительность плавки примерно на 30%, а конкретно с 4,7 тонн в час - до 6,1 тонны в час.

Целесообразность рассчитанного повышения производительности плавки благодаря инсталляции второй печи вместе с переводом установки в автоматический тандемный режим эксплуатации была успешно подтверждена после ввода в эксплуатацию данного модернизированного плавильного комплекса.

6. Резюме (ключевые пункты)

Выбор установки

• Установку с более высокой удельной мощностью (шаг в 1.000 кВт/тонну ёмкости) нужно выбирать с учётом параметров веса разливки, потребности в жидком металле и величины ковша.

• Имеющаяся в распоряжении номинальная мощность преобразователя переменного тока используется полностью благодаря сокращению вспомогательного времени на установках типа Monomelt и использованию технологии DUOMELT на тандемных установках.

• Предпочтение даётся использованию установок с преобразователем переменного тока типа IGBT в рабочем диапазоне до нескольких мегаватт.

• Использование процессора плавки JOKS вместе с устройством весов - принимается, как "должно быть".

• Применение схемотехники Power-Focus и Multi-Frequenz ведёт к оптимальному исполнению целенаправленных металлургических запросов.

Сокращение потребления энергии

Плавка

• Фактическое среднее потребление энергии для плавки от более 700 kWч/тонну предлагает при практически достижимом значении от 490 - 520 kWч/тонну большой потенциал для экономии электроэнергии.

• Использование вспомогательных установок и вспомогательного оборудования с возможностью экономии 2-х % на потреблении энергии для плавки несёт в себе неограниченные возможности экономии в целом.

• Необходимо поддержание точного температурного режима в печи благодаря использованию процессора плавки JOKS.

• Необходимо избегать применения для переплавки ржавого железного лома и неочищенного собственного возврата.

• Необходимо обращать внимание на плотность загрузки шихты, а громоздкий материал (например, из собственного возврата) нужно ломать (измельчать).

• Положительно сказывается для экономии энергии для плавки наличие возможности быстрой и непрерывной загрузки шихты через специальные вибротележки, причём нужно всегда стремиться к полной и плотной загрузке печи.

• Карбюризатор нужно добавлять вместе с загружаемой шихтой, однако при соблюдении металлургически рационального порядка загрузки шихты; более поздняя его добавка в ванну жидкого металла стоит более больших затрат энергии.

• При плавлении стружки нужно работать с "болотом" больше 40%.

• При кусковом материале лучше работать без "болота", т.е. энергетически более выгодным является режим полной загрузки тигля, после его полного опорожнения.

• Способ эксплуатации с максимально имеющейся в распоряжении производительностью существенно экономит энергию.

• Крышку печи, по возможности, нужно держать закрытой и вытяжное устройство должно быть отрегулировано соответственно количеству эмиссии.

• При сбоях и помехах (неисправностях) в работе по продолжительности меньше 4 часов лучше держать печь в режиме выдержки, так как для холодного старта требуется в 3 - 4 раза больше энергии, чем для тепловой выдержки.

• Вместе с применением современных систем контроля тигля (например, OCP) нужно оптимизировать толщину огнеупорной футеровки и отказаться от излишних, уже ненужных, защитных мер.

Тепловая выдержка и транспортировка

• Благодаря минимизации потерь температуры при транспортировке и разливке жидкого металла может экономиться до 10% энергии, и, вместе с тем, также можно избегать излишнего перегрева металла.

• Необходимо сократить, насколько это возможно, количество переливов жидкого металла и количество ковшей.

• Необходимо сократить маршруты перевозки и время на ожидание жидкого металла.

• Необходим выбор подходящих ёмкости и формы ковша: предпочтительнее всего - применение высоких ковшей (по форме тигля), а также ковшей барабанного или котельного типов.

• Ковши, которые имеют форму тигля, по возможности должны быть оборудованы крышкой.

• Необходимо использовать только хорошо изолированные, сухие и подогретые ковши.

• Использование разливочных печей представляет собой дополнительный "амортизатор", который улучшает равномерность температуры и содействует автоматизации процессу разливки.

Надежность и безопасность при плавке

• Благодаря применению системы контроля тигля OCP устраняется возможность прорыва тигля, а также эта система даёт возможность оптимизировать процесс футеровки.

• Современная и новая система воздушного охлаждения содействует надежному функционированию установки оборотного водоохлаждения во время зимы, что происходит, кстати, без использования гликоля или дополнительного обогрева.

• Появление брака в получаемом металле может предотвращаться правильным определением размеров установки печей. На всех существующих установках есть возможность оптимизации производительности (мощности) и загрузки шихты.

• Конструктивное решение вытяжного колпака (крышки печи) имеет решающее значение не только для эффективного отжига газов от печи во всех её положениях, а также для бесперебойной работы самой печной установки.

Модернизация

Существенная экономия энергии и повышение производительности досягаемы модернизацией существующих более старых установок. Этим также уменьшаются время простоя печей и затраты на техническое обслуживание и ремонт установки. А так как стоимость капиталовложений находится в пределах от 1/4 до 1/3 стоимости новой установки, а времени на работы по модернизации требуется минимум - в пределах одной недели, то налицо следующие преимущества, экономические и технические эффекты, которые представлены в таблицах 6 и 7.

Таблица 6: Эффекты модернизации - замена квинтдуктора IGBT преобразователем

Таблица 7: Эффекты модернизации - замена распределительного устройства промышленной частоты преобразователем переменного тока

Из уже выполненных проектов по модернизации можно сделать следующие выводы:

• Модернизация установок промышленной частоты в среднечастотные установки даёт в итоге экономию энергии в 8%, а при реализации более высокой удельной мощности можно достичь экономии энергии до 10%.

• Замена более старых установок с преобразователями переменного тока (квинтдуктор и т.п.) на современные среднечастотные установки снижает потребление электроэнергии на значение между 12 и 20%.

• Модернизация установки типа Monomelt в установку тандемного типа (применение второй печи) дает в итоге повышение пропускной способности (выпуска металла) на 30%.

• Установка на оборудование современных систем управления на базе программируемых контроллеров (SPS), а также применение процессора плавки JOKS снижают время простоя печей и сокращают потребление энергии.

По всем интересующим вопросам просим обращаться в ООО "Укрлитмаш" - официальному представителю компании OTTO JUNKER в Украине. Реквизиты: Украина, 49000, г. Днепропетровск, ул. Набережная им. Ленина, 15А/28; телефон: +38 (056) 785-00-73; факс: +38 (056) 786-15-54; E-mail: v.yaroschenko@guss-ex.com.pl; www.lityo.com.ua/ukrlitmash.html; директор - Ярошенко Виктор Викторович, т. (моб.): +38 (067) 561-89-70.

Сведения об авторах:

• Фрэнк Донсбах - OTTO JUNKER GMBH (Германия), т.: +49 2473 601 207; ф.: +49 2473 601 685; E-mail: don@otto-junker.de.

• Ян де Гроот - OTTO JUNKER GMBH (Германия), т.: +31 345 574 141; ф.: +31 345 576 322; E-mail: jdg@thermcom.com.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №7(95) - №10(98) 2008 г.