Потенциал энергосбережения при индукционной плавке и индукционном нагреве металлов за счет снижения потерь в индукционной катушке

Значительная доля общего потребления электроэнергии при производстве отливок и полуфабрикатов приходится на плавку и нагрев металлов. Так, например, для плавки исходного сырья в типичном литейном цехе эта доля составляет 60-70%. При необходимости экономии электроэнергии следует в первую очередь исключить любое дополнительное потребление электроэнергии, связанное с неблагоприятным режимом работы и производства, а во-вторых, при помощи технических мероприятий снизить электрические и тепловые потери индукционной печи. Так как при технически обусловленных потерях электроэнергии, в индукционной катушке преобладают электрические потери, при дальнейшем снижении потребления электроэнергии нет возможности сокращения потерь в катушке. Теоретические подходы к минимизации потерь в индукционной катушке и практические возможности применения изложены в Части 1 настоящей статьи. В Части 2 (см. следующие номера журнала) разъясняются и комментируются достигнутые результаты новых разработок в отношении индукционных тигельных печей и установок индукционного нагрева заготовок. В заключение статьи – обзор будущих технических подходов к решениям.

Вступление

Потребление электроэнергии при плавке и нагреве металлов для конкретной поставленной задачи решающим образом зависит от следующих факторов:

• Типа печи.

• Конструкции и компоновки печи.

• Режима работы.

• Организации производства.

Поэтому, в отношении экономии электроэнергии есть два действующих направления: первое, - на этапе разработки и планирования при помощи технических усовершенствований снизить электрические и тепловые потери установки, а также подобрать наилучшую подходящую конфигурацию установки. Во втором направлении, необходимо стремиться к тому, чтобы при применении установок для плавки и нагрева по возможности исключался любой дополнительный расход электроэнергии, связанный с неблагоприятным режимом работы и производства, а также плохой организацией производства.

При рассмотрении технически обусловленных потерь электроэнергии важно принять во внимание, что в индукционной катушке преобладают электрические потери (джоулевые потери). Они составляют 60 – 70% от общих потерь при индукционной плавке чугуна в тигельной печи и ок. 80% при индукционном нагреве алюминиевых заготовок.

При дальнейшем улучшении энергосбережения и снижения потребления электроэнергии невозможно уменьшить потери в индукционной катушке.

Потери тепловой и электрической энергии
Индукционная плавка в тигельных печах

Процесс плавки должен обеспечивать подготовку расплава требуемого качества и при этом в особенности соблюдать высокую точность температуры, химического состава и однородности расплава. Индукционная тигельная печь со своим целенаправленно воздействующим движением ванны расплава и непосредственным, неперегреваемым нагревом загружаемого материала предоставляет для этого хорошие условия.

Применение индукционного метода для плавки металлов связано с потерями электрической и тепловой энергии печной установки, которые в основном зависят от вида и характеристики расплавляемого металла, от типа, компоновки и конструкции печи.

Диаграмма потоков энергии типичной среднечастотной тигельной печи для плавки чугуна показывает конкретные технически обусловленные коэффициенты потерь (Рис. 1). Досягаемый коэффициент полезного действия составляет 75%, при этом в полезное тепло преобразовывается 3/4 подводимой энергии.

Рис. 1 Диаграмма потоков энергии индукционной тигельной печи (для плавки чугуна)

Однозначно доминирующие 15%-ные потери индукционной катушки среди других потерь электроэнергии относительно низкие. Это также можно отнести к развитию современных преобразователей, так как в начале применения среднечастотной техники соответствующие преобразователи частоты обладали значительно худшим коэффициентом полезного действия, как представлено в Табл. 1.

Таблица 1. Коэффициент полезного действия различных преобразователей частоты

В то время как тепловые и другие электрические потери (преобразователь, трансформатор и т.д.), по сути, не зависят от переплавляемого металла, потери индукционной катушки определяются магнитными и электрическими свойствами переплавляемого металла. Так высокая электропроводность расплава, например, меди, а также алюминия вызывает существенное повышение потерь индукционной катушки по сравнению с потерями при плавки чугуна. Если для чугуна потери индукционной катушки составляют ок. 15%, то для меди это значение достигает 40% и соответственно снижается коэффициент полезного действия (Рис. 2).

Рис. 2 Общий коэффициент полезного действия в зависимости от типа печи и расплавляемого материала

Как видно с Рис. 2, оба типа индукционных печей существенно отличаются в отношении коэффициента полезного действия: в канальных печах не только значительно выше общий коэффициент полезного действия, но также переплавляемый металл существенно меньше влияет на коэффициент полезного действия. Однако, применение канальных печей, как предпочтительного плавильного агрегата, ограничивают производственные и технологические предпосылки, а также низкая производительность по сравнению с тигельными печами.

Перевод тигельных печей с промышленной на среднюю частоту привел к значительному улучшению коэффициента полезного действия, особенно в отношении плавки чугуна. Это основывается на том, что высокая частота способствует большей плотности мощности. Для чугуна и стали при высокой частоте возможна плавка твердого исходного материала и при этом до температуры Кюри (до ок. 770'С) могут использоваться преимущества ферримагнитных свойств материалов при индукционной передачи энергии.

Электрический ток в загружаемом материале в результате поверхностного эффекта (Skin- Effekts) будет в основном только в относительно тонком пограничном слое, который индуцирует так называемую глубину проникновения электромагнитного поля. При этом плотность тока убывает по направлению во внутрь, а глубина проникновения определяется частотой и уменьшается с увеличением частоты. Для быстрого и эффективного нагрева твердого исходного материала должно соблюдаться определенное соотношение глубины проникновения к размерам кускового материала. В идеале, частота должна быть подобрана таким образом, чтобы соотношение глубины проникновения к толщине материала составляло 1:6. При более высоких значениях электрический коэффициент полезного действия остается практически неизменным. Следует отметить, что после расплавления исходного кускового материала диаметр тигля отображает размер кускового материала.

Индукционный нагрев заготовок

Параметры процесса прессования при изготовлении полуфабрикатов профилей определяют требования к нагреву заготовок: в процессе прессования должна выдерживаться с большой точностью необходимая температура и должен исключаться неоднородный нагрев торцевых сторон заготовки. При постановке задачи для прессов изотермической штамповки, применяемых для получения заготовок из легких металлов (прессы с постоянной температурой для достижения высокого качества прессованных изделий), на длину заготовки устанавливается определенный температурный профиль (плавный переход). Температура должна распределяться по длине заготовки от начала и до конца заготовки таким образом, чтобы снижение температуры во время процесса прессования уравновешивалось повышением температуры вследствие трения и пластической деформации. Желательный температурный градиент при этом 100 К на 1 м заготовки. Современное техническое развитие позволяет заранее рассчитать необходимый профиль температуры с помощью математических моделей и заново задавать его от заготовки к заготовке на основании измеренных значений. Отсюда исходят требования для наилучшей обработки заготовок: повреждения поверхностей должны быть обязательно исключены. Различные размеры заготовок и примеси требуют высокой гибкости и точного управления процессом.

Установки для индукционного нагрева заготовок оснащены сегодня несколькими катушками, отдельно регулируемых по мощности и частоте, и дают (особенно печи для заготовок) хорошие предпосылки для выполнения вышеуказанных требований к процессу нагрева. Очень низкое аккумулируемое тепло установок позволяет быстро изменять температуру.

В современных установках для нагрева заготовок применяются многослойные катушки с водяным охлаждением, которые оптимально подходят для достижения как можно более высокого коэффициента полезного действия. Преобразователь частоты с технологией IGBT позволяет точно регулировать мощность отдельной катушки и работать при различной частоте (Рис. 3).

Рис. 3 Установка для индукционного нагрева заготовок с шестью отдельно регулируемыми многослойными катушками, каждая со своим устройством измерения температуры

Диаграмма потоков энергии современной установки для нагрева легированных алюминиевых заготовок показывает отдельные технически обусловленные факторы потерь (Рис. 4); досягаемый коэффициент полезного действия составляет 60%. При этом, более выражено, чем при индукционной плавке в тигельных печах преобладают потери индукционной катушки – 34,5%, составляя при этом более 80% общих потерь.

Рис. 4 Диаграмма потоков энергии установки нагрева заготовок (нагрев алюминиевых заготовок)

Как и при индукционной плавке, при индукционном нагреве достигаемый коэффициент полезного действия зависит от электромагнитных свойств исходного материала, как показано в Табл. 2.

Таблица 2: Общий коэффициент полезного действия установки нагрева заготовок для различных металлов

Глубина проникновения вихревых токов в разогретый материал, как отмечалось выше, определяется частотой электромагнитного переменного поля. Чем ниже частота, тем выше глубина проникновения, что является предпосылкой для равномерного нагрева по всему диаметру заготовки. При этом, соотношение диаметра заготовки к глубине проникновения должно быть выше 6, чтобы получить хороший электрический коэффициент полезного действия индукционной передачи энергии.

Так как процесс нагрева заготовок в первую очередь определяется теплопроводностью загружаемого материала, влияние частоты на разницу температур в заготовке при разогреве, если речь идет о меди и алюминии, не очень выражено.

Теоретические зависимости и важные параметры влияния
Конструкция печи

Потери электрической энергии индукционной катушки и связанный с этим коэффициент полезного действия катушки определяются омическими потерями и конструкцией печи.

Относительно конструкции печи имеется один из параметров влияния – радиальное расстояние между катушкой и загружаемым материалом. В индукционных тигельных печах требуемая толщина стенки керамической футеровки определяет величину расстояния, которое также называется зазором.

Толщина стенки керамической футеровки у плавильных печей всегда отображает компромисс между хорошей термической изоляцией, а также достаточной механической защитой катушки и хорошей электромагнитной связью между катушкой и плавящимся материалом.

При уменьшении толщины футеровки улучшается коэффициент полезного действия, повышается потребляемая мощность, но, в то же время, растут потери тепловой энергии из-за тон- кой толщины тигля. Однако потери электрической энергии индукционной катушки почти на порядок выше тепловых потерь стенки тигля, таким образом, влияние потерь катушки здесь доминирует.

Проводимый расчет показал, что, исходя из обычной толщины футеровки тигельной печи среднего размера равной 125 мм, уменьшение толщины футеровки на 30 мм повышает коэффициент полезного действия катушки приблизительно на 3% (Рис. 5). Разумеется, что таким образом имеются весьма ограниченные возможности влияния на снижение потребления электроэнергии.

Рис. 5: Влияние толщины футеровки (размер зазора) на коэффициент полезного действия катушки

Эти зависимости аналогичным образом проявляются и в установках нагрева заготовок, однако размер зазора в этом случае существенно ниже. Для обычных типоразмеров установки зазор составляет около 20 мм, если применяется катушка, соответствующая диаметру заготовки. При нагреве заготовок различных диаметров комплект катушки принято заменять на катушку соответствующего диаметра, чтобы избежать повышения потребления электроэнергии и снижения пропускной способности.

Конструкция и режим работы индукционной катушки

Омическое сопротивление переменному току, которое является решающим для электрических потерь катушки, зависит от длины токопроводящего сердечника катушки, специфической электрической проводимости материала катушки, зависящей от температуры, а также от токопроводящей площади сечения сердечника катушки. При заданной силе тока в сердечнике катушки плотность тока определяется токопроводящей площадью сечения сердечника катушки. Чем меньше эффективная площадь сечения сердечника, которая проводит ток, тем выше плотность тока. В соответствии с формулой:

P = ∫ j²/c dv

Р - мощность (Вт);
j - плотность тока (А/м³);
x - коэффициент электропроводности (См/м);
v - объем (м³).

Увеличение потерь пропорционально квадрату плотности тока. Фундаментальный подход к решению заключается в том, чтобы с помощью увеличения токопроводящей площади сечения уменьшать плотность тока. В идеале, необходимо стремиться к по возможности однородному распределению плотности тока в поперечном сечении катушки. Это звучит просто, но сложно достигается, так как ток распределяется неравномерно в поперечном сечении. По физическим законам поверхностного эффекта ток концентрируется на небольшой площади, а также на профиле катушки, со стороны загруженного материала. Рис. 6 демонстрирует эту закономерность. На одном расчетном примере показано распределение плотности тока на профиле одной катушки высокой мощности для 8-тонной индукционной тигельной печи с номинальной мощностью 8.000 кВт и номинальной частотой 250 Гц. В то время, как на поверхности катушки, обращенной к расплавляемому материалу, практически не течет ток, общий ток проводиться во внутренней зоне катушки. В этой зоне находится более высокий градиент распределения плотности тока. В углу наружной зоны закругления встречаются значения до 80 А/мм², в сердцевине – 30 А/мм². При увеличении частоты усиливается этот так называемый эффект близости (Proximity-Effekt).

Простое увеличение проводящего поперечного сечения катушки не дает решения для снижения потерь катушки. Основная идея состоит в том, чтобы или применять множество раздельных токопроводящих секций – аналог стержня Рёбеля в крупных электрических машинах, - или работать на многослойных катушках, что с успехом практикуется на современных установках для нагрева заготовок.

При использовании многослойных катушек необходимо принимать во внимание, что расстояние между токопроводящей внутренней поверхностью слоев катушки и загруженного материала не настолько возрастает, чтобы через ухудшение электромагнитного сцепления снижался коэффициент полезного действия.

Рис. 6 Распределение плотности тока на профиле катушки индукционной тигельной печи мошностью 8.000 кВт и частотой 250 Гц

Так как для профиля катушки применяется медь высокой чистоты, а материал с высокой условной электропроводимостью, такой как например, серебро, с экономической точки зрения не принимается в расчет, снижение потерь в этом направлении не является реалистичным. Также идеи, работать с охлажденной до низких температур катушкой, с тем, чтобы использовать при низких температурах более низкое условное сопротивление вплоть до эффекта суперпроводимости, для индукционных печей не осуществимы или, по крайней мер, в настоящий момент не осуществимы. Исходя из того, что известные до сих пор комбинации материалов, которые обладают суперпроводимостью в так называемой зоне высоких температур, т.е. в зоне ок. 80 К, могут работать только с постоянным током, их применение в индукционных печах исключается. Это проявляется по другому в индукционных установках для нагрева заготовок, так как требуемое электромагнитное переменное поле принципиально может создаваться благодаря вращению нагреваемой заготовки во временном постоянном магнитном поле.

Заключение

В индукционных печах возникает вопрос, можно ли благодаря умеренному снижению рабочих температур медной катушки достичь заметного повышения электрической проводимости и тем самым определенного сокращения потерь. Расчеты для одной 8 тонной печи с мощностью 8.000 кВт и частотой 250 Гц показывают, что благодаря снижению рабочих температур катушки с 50'С до 20'С можно достичь снижения электрических потерь на ок. 3,6%. Коэффициент полезного действия катушки при этом улучшается с 80 до 82,9% и потери катушки снижаются на 17,8%.

Однако низкая температура катушки ведет к повышению температурного градиента между температурой расплава и катушки, тем самым рассеивается большое количество тепла из расплава. Кроме того необходимо считаться с образованием конденсата на поверхности катушки. К этому следует добавить незначительные затраты и расходы на электроэнергию на соответствующие средства охлаждения.

Различные варианты этих идей пока не имели шансов быть реализованными.

Сведения об авторах:

	Ханс Риннхофер (Hans Rinnhofer) Др., Председатель правления ОТТО ЮНКЕР ГмбХ (Зиммерат-Ламмерсдорф, Германия) телефон: 02473 601-520 e-mail: rin@otto-junker.de
	Эгберт Бааке (Egbert Baake) Проф. Др.-Инж., Институт электропроцессорной техники (Ганновер, Германия) телефон: 0511 762-3248 e-mail: baake@etp.uni-hannover.de
	Дитмар Траузэддель (Dietmar Trauzeddel) Др., ОТТО ЮНКЕР ГмбХ (Зиммерат-Ламмерсдорф, Германия) телефон: 02473 601-342 e-mail: tra@otto-junker.de

 Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №7 (131) 2011 г.