Исследование электромагнитных печей с С-образным магнитопроводом

Введение

В литейном производстве применяют два типа индукционных плавильных печей:

– тигельные индукторные, создающие вертикальный электромагнитный поток и нередко снабженные внешними стержневыми разомкнутыми магнитопроводами (МПр) I-образной формы;

– трансформаторные (канальные) с замкнутым МПр [1; 2].

В 2013 г. запатентованы индукционные тигельные электромагнитные печи с изогнутыми магнитопроводами О-, U- и C-образной конфигурации, создающими горизонтальный рабочий электромагнитный поток (третий тип) [3; 4]. Они существенно отличаются по конструкции, энергетическим и технологическим возможностям от печей первых типов. Сравнение индукционных индукторных и электромагнитных тигельных печей показало ряд преимуществ последних [5; 6]. Они подтверждены при исследовании параметров и технологии плавки алюминиевых и медных сплавов в электромагнитной печи с U-образным магнитопроводом [7; 8].

Представляет научный и практический интерес аналогичное исследование работы печи с МПр C-образной конфигурации (ЭМС-печь). Она имеет горизонтальный разомкнутый МПр 1 С-образной формы с двумя полюсами, среднюю часть (сердечник) которого охватывают витки электрической катушки 4 (ЭК), находящейся в защитном герметичном кожухе 6 для хладагента (рис. 1, а). Магнитопровод 1 является корпусом печи, установленным на основании 5 неподвижно или с поворотом. Электрическая катушка 4 и магнитопровод 1 создают усиленный рабочий поток между обращенными друг к другу полюсами, воздействующий на тигель 2 с ванной 3 для шихты, подвешенный на цапфах 7 или установленный на основании 5 (рис. 1, а) [3; 4]. Ее работа подробно описана в работах [5; 6].

Близких и подробных технических решений индукционных плавильных тигельных ЭМС-печей, параметров их работы и рациональной области применения в литературных источниках систем Google Scholar и Scopus [7 – 9] не найдено. Не обнаружены они и на сайтах ведущих изготовителей индукционных плавильных печей^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}.

Цель и задачи настоящей работы – исследование конструктивных и рабочих параметров ЭМС-печей при плавке силумина для получения данных об их работе, необходимых при проектировании, расчете и определении рациональной области применения.

Опыты проводили на десяти изготовленных печах¹⁰ (рис. 1, б).

Объекты исследования

Магнитопровод печей собран вручную из использованных трансформаторных пластин толщиной 0,35 и 0,40 мм. При этом до высоты полюсов h_п примерно 195 мм использовали широкие пластины (175×615 мм – для сердечника и 155×700 мм – для полюсной части). Для увеличения h_п до 240 мм и рабочего объема V_р печи укладывали слой высотой примерно 45 мм (пластины шириной 55, 90 или 120 мм на полюсную часть и пластины 175 мм – на сердечник). Пластины сжимали между толстыми асбоцементными и деревянными прокладками ременными стяжками или стальными шпильками, изолированными электрокартоном (рис. 1, б). Межполюсное расстояние l_раб изменяли от 305 до 330 мм (h_п/l_раб ≈ 0,79).

Электрическую катушку наматывали вручную на каркас из диэлектрика многожильным медным (М) гибким кабелем типа КГ в резиновой изоляции сечением примерно 78,5 и 130,0 мм² или алюминиевой (А) шинкой сечением 62 мм² в бумажной изоляции (три слоя). Длина ЭК l_эк = 2,8 дм, сечение окна – до 5,2 дм², объем полости V_эк до 4,56 дм³. В витках было три или четыре шинки, соединенных вместе клеммным зажимом на выводах ЭК. При охлаждении ЭК проточной водопроводной водой пучок шинок помещали в трубку ХВТ для обеспечения двойной электроизоляции, а саму ЭК – в резиновый резервуар вместимостью 13 дм³. Сечение и количество витков выбрано из условий достижения необходимой индукции и допустимого нагрева ЭК повышенным током, в том числе при напряжении более 390 В. Количество витков w ЭК составляло 28М, 30М, 37М, 50А, 40А, 30А или 23А. Оно влияло на ширину ЭК и, как следствие, на длину l_п полюсов МПр. Резервуар окружен защитным асбоцементным кожухом, что также уменьшало длину l_п полюсов МПр и рабочий объем печи V_р = h_пl_пl_раб, дм³ (здесь h_пl_п = S_п – рабочая поверхность полюса печи).

Изготовленные из трансформаторного лома печи обозначили как ЭМС-Vр-w-М (или А):

– ЭМС-24,6-28М, ЭМС-24,6-37М,

– ЭМС-28,2-30М,

– ЭМС-28,7-23А,

– ЭМС-30,7-30А, ЭМС-30,7-40А, ЭМС-30,7-23А,

– ЭМС-30,8-28М, ЭМС-30,8-50А,

– ЭМС-35-50А.

Методика экспериментов

Использовался опыт работы печи с U-образным магнитопроводом [5; 6]. Питали ЭМС-печи однофазным током I_эк (f = 50 Гц) от промышленной сети напряжением U_пит ≈ 380 ÷ 390 В. Для изучения влияния емкости С_кб конденсаторов на параметры печи их объединили в батарею (КБ) и подключали параллельно ЭК. Емкость С_кб повышали постепенным присоединением старых конденсаторных банок типа КС2 и КМ2 (ГОСТ 1282 – 68) с номинальной емкостью С = 80 ÷ 800 мкФ, фактическая емкость которых могла отличаться. Подстроечные конденсаторы для приближения к резонансу токов I_эк в ЭК и I_кб в КБ отсутствовали.

Применялись стальные цилиндрические тигли круглого и овального сечений, изготовленные из толстостенной (8 мм) трубы наружным диаметром 220 мм и кислородного баллона. Их разместили в переносном асбоцементном коробе с двумя видами теплоизоляции: песчано-глинисто-жидкостекольной смесью (рис. 1, в); минеральной ватой и листовым асбестом.

По результатам электроизмерений вычислили магнитодвижущую силу (МДС) ЭК I_экw, плотность тока j, мощности (полную S_эк ≈ S_L – C, циркулирующую в L – C-контуре, активную Р и индуктивную Q_L), полное Z и индуктивное x_L сопротивления, коэффициент мощности cos φ, индуктивность L_эм ЭМС-печи, активный I_а и индуктивный I_L токи по известным формулам электротехники [5; 6; 10].

Рассчитаны интегральные критерии энергоемкости: магнитный K_м = I_экw/V_р, электромагнитный K_эм = I_экw/(В_еV_р) и электрического нагрева K_эн = S_эк/V_р и питания K_эп = S_пит/V_р [5; 6]. Они позволяют сравнивать параметры разных печей.

Температуру слитка силумина АК7 массой 21 кг измеряли прибором ТРМ-1 с термопарой ХА в керамических «бусах», температура фиксировалась без учета повышающих поправок. Температуры верхней и нижней поверхностей сердечника МПр измеряли мультиметром М838 с термопарами ХА (без чехлов), стенок короба с тиглем и станины – ртутными термометрами.

Индукцию на боковых и торцовых поверхностях МПр (с тиглем и без него) измеряли на удалении от него и между полюсами плоским зондом миллитесламетра Ш1-15 в трех горизонтальных и семи вертикальных рядах точек, расположенных на удалении 220 мм от торцов МПр. Из-за быстрого нагрева тигля и опасения повреждения датчика Холла зонд располагался на удалении до 5 мм от правой стороны тигля и правого полюса. Шум измеряли прибором DT – 8851/52 и смартфонами при удовлетворительной близости показаний.

Результаты экспериментов и обсуждение

Результаты изменения средних значений токов питания I_пит = I_общ, а также I_эк и I_кб, циркулирующих в контуре ЭК – КБ (L – C), в зависимости от емкости С_кб представлены на рис. 2. Ток I_эк увеличивается с 780 до 912 А, а ток I_кб – примерно до 920 А при емкости С_кб примерно 8134 мкФ (когда эти графики пересекаются). Наиболее интересно снижение тока I_пит примерно с 780 до 113 А при той же емкости С_кб. Это приводит к снижению потребляемой из сети мощности с S_эк = I_питU_пит = 780·390 = 304 200 Вт до S_пит = 113·390 = 44 070 Вт (примерно в 7 раз). Применяя подстроечные конденсаторы, можно еще уменьшить потребляемую мощность.

Из опытов по нагреву и расплавлению слитка силумина массой 21 кг в ЭМС-печах с разными рабочим объемом V_р, ЭК и тиглями наиболее удачен опыт в печи ЭМС-30,7-23А с овальным тиглем в футеровочной смеси, так как достигнута температура расплава силумина 650 °С за 65 мин со средней скоростью нагрева 10 °С/мин. Высокая скорость нагрева (14 – 19 °С/мин) сохранялась до 30-ой минуты и достигнута температура 519 °С (рис. 3). На 35-ой минуте нагрева скорость снизилась до 6 °С/мин (при 560 °С), а затем до 3 °С/мин. Одной из причин снижения скорости является прогрев стенки короба и возрастающие потери тепла за его пределы. Однако после 60-ой минуты скорость возросла до 6 °С /мин в связи с перегревом расплава.

Сердечник МПр нагревается неравномерно (рис. 3). Нижняя поверхность шириной 175 мм нагревается к концу плавки примерно до температуры 160 °С, а верхняя, перекрещивающаяся с узкими пластинами 120 мм, – до 268 °С. Повышенный нагрев этой части сердечника обусловлен меньшей относительной массой узких пластин.

Нагрев наружных стенок короба практически одинаков и не превышает 170 °С (рис. 3). Его можно уменьшить увеличением толщины (для чего имеется место) или изготовлением футеровки из других малотеплопроводных материалов (пеношамота, минеральной ваты и другими). В конце плавки «прогорел» стальной тигель и расплав вылился через щели в футеровке и левой стенке короба (в емкость под печью). Щели образовались из-за неоднократных термических деформаций стального тигля, футеровки и асбоцементных стенок. Верх стальной станины нагрелся полем рассеяния примерно до 120 °С.

Такой нагрев всех элементов обеспечили следующие эксплуатационные параметры печи ЭМС-30,7-23А (без тигля):

– С_кб ≈ 8134 мкФ;

– I_эк ≈ 911 А; I_кб ≈ 893 А; I_пит ≈ 113 А;

– S_L – C ≈ 355 кВ·А; S_пит ≈ 44 кВ·А; S_L – C/ S_пит = 8;

– j ≈ 3,7 А/мм²;

– Z ≈ 0,428 Ом;

– L_эм ≈ 0,001363 Гн;

– I_экw ≈ 20 953 А; Н_ц ≈ 74 800 А/м;

– В_ц = 94 мТл; В_к = 47 мТл; В_эк = (В_ц + В_к)/2 ≈ 70 мТл;

– K_м ≈ 682,5 А/дм³;

– K_эм ˃ 6,825 А/(дм³·мТл);

– K_эн ˃ 11,6 кВ·А/дм³; K_эп ˃ 1,43 кВ·А/дм³.

Анализ результатов измерения индукции на поверхностях МПр (без тигля/с тиглем) показывает следующее (рис. 4):

– закономерно повышенная индукция Вп на полюсах МПр (91,0 – 111,2/125 – 150 мТл);

– меньшая индукция на торцовых поверхностях МПр (67,3 – 92,5/65 – 82 мТл);

– еще меньшая индукция на наружных поверхностях МПр (53,7 – 67,1/52 – 69 мТл);

– закономерно самая малая индукция в середине между полюсами (55 – 70 мТ без тигля).

Распределение индукции В_е в точках среднего горизонтального сечения (рис. 4) между полюсами без тигля (91 – 85 – 70 – 81,4 – 107 мТл) показывает, что электромагнитное поле неоднородно и имеет горизонтальный градиент 0,6 мТл/мм, направленный от середины l_раб к полюсам.

Индукция В_п примерно 100 мТл на полюсах МПр, ограничивающих объем V_р (примерно 30,7 дм³) и заметно превышает индукцию в ЭК (В_эк = 70 мТл), имеющей гораздо меньший объем V_эк (примерно 14,56 дм³), за счет его намагничивания полем ЭК. Индукция поля рассеяния МПр быстро уменьшается с удалением l от него согласно уравнению В_рас ≈ 0,0012l² – 0,6987l + 134,88.

При установке стального тигля диаметром 220 мм индукция В_п на полюсах и между тиглем и полюсами существенно и закономерно возросла (примерно в 1,25 – 1,50 раза). Это объясняется тем, что в незамкнутой магнитной цепи с одним большим воздушным зазором длиной l_раб = 330 мм появились ферромагнитное тело диаметром 220 мм и два малых зазора по 55 мм, что снизило общее магнитное сопротивление цепи и привело к повышению индукции на полюсах. Такое повышение индукции весьма полезно при плавке ферромагнитной шихты и подтверждено в работе [11].

При более плотном сжатии пластин МПр снизился уровень шума на расстоянии 600 мм от печи и 200 мм над ЭК с 80 – 85 (при сжатии ремнями) до 40 – 48 дБ (при сжатии шпильками).

Выводы

Экспериментальная печь ЭМС-30,7-23А мощностью 44 кВт позволяет за 65 мин расплавить 21 кг силумина со скоростью 10 °С/мин. В печи сопротивления САТ-0,16 мощностью 40 кВт на это требуется примерно 120 мин (5,4 °С/мин).

Для дальнейшего повышения эффективности нагрева и работы печи целесообразно увеличить отношение h_п/l_раб с 0,79 до 1,0, а ширину полюсных пластин – до 155 мм, а также использовать минеральную вату в теплоизоляции тигля, подстроечные конденсаторы в КБ и медный кабель в ЭК.

Намагничивание МПр слабым полем с индукцией В_эк = 70 мТл в ЭК с малым объемом V_эк (примерно 14,56 дм³) позволяет переместить поле в безопасное место за пределы ЭК и увеличить индукцию В_п примерно до 100 мТл в заметно большем объеме V_р (примерно 30,7 дм³). Это значительно уменьшает размеры ЭК, потребление электроэнергии и повышает надежность ЭК и печи.

Для опробования плавки медных сплавов и чугуна целесообразно подключить печь к повышающему напряжение трансформатору, чтобы увеличить плотность тока 3,7 А/мм² до допускаемой 20 А/мм², что значительно повысит токи I_эк, I_кб, мощность S_L – C , МДС I_экw, индукцию В_эк и В_п, а также улучшит критерии K_м, K_эм, K_эн, K_эп.

На основе успешных опытов можно получить малые ЭМС-печи из дешевого трансформаторного лома и продолжить исследования для улучшения параметров и определения области применения (для подогрева шихты, плавки разных типов сплавов, выдержки и доводки расплава, доставки тигля на заливку и др.).