CC BY
1
УДК 621.365.51
Т. Г. Королёва, Н. А. Щербаков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕГУЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ
В статье показана актуальность использования бегущего электромагнитного поля для нагрева металла в тигельных печах. Сформулированы основные преимущества использования бегущего электромагнитного поля для нагрева металла. Выполнен анализ составляющих потерь электроэнергии в тигельной печи. Исследовано влияние встречного и согласного включений обмоток индукторов на распределение электромагнитных и тепловых полей.
Ключевые слова: тигельные печи, бегущее электромагнитное поле, нагрев металла, равномерное распределение температуры.
DOI: 10.24412/2227-1384-2023-150-30-35
Одним из приоритетных направлений новой энергетической политики Российской Федерации является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов [1; 5]. Одной из самых энергоёмких сфер жизнедеятельности человека является промышленность, на долю которой приходится около 50 % потребляемых энергоресурсов. Среди наиболее энергоёмких отраслей особое место занимает тяжёлое машиностроение, где применяются различные термические установки. Особое значение следует уделить энергоёмким плавильным установкам, к которым относятся тигельные печи. Энергетический баланс тигельной печи приведён на рисунке 1 [7].
Как показано на рисунке 1, на полезную мощность приходится порядка 70 % потребляемой мощности. За счёт применения специальных теплоизоляционных материалов можно минимизировать тепловые потери через футеровку (около 7 %), а также уменьшить электрические потери индуктора, используя его нагрев на отопление вспомогательных систем и процессов. В результате КПД установки можно повысить до 80 — 90 % [6]. Полезную мощность можно разделить на две составляющие:
Королёва Татьяна Геннадьевна — кандидат технических наук, доцент (Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева, Орёл, Россия); e-mail: tgkoroleva@mail.ru.
Щербаков Николай Александрович — магистрант, (Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева, Орёл, Россия); e-mail: nikolai.shcherbakov.ee@mail.ru.
© Королёва Т. Г., Щербаков Н. А., 2023
30
Рис. 1. Энергетический баланс индукционной тигельной печи
- мошросгь, затрачиваемую на плавление металла и дальнейшее поддержание его температуры;
- мощность, затрачиваемую на перемешивание металла.
Индукционный нагрев бегущим электромагнитным полем по сравнению с другими способами нагрева (пламенным или электродуговым) имеет ряд существенных преимуществ, основными из которых являются [3; 8]:
- обеспечение равномерного распределения температурного поля по всему объёму нагреваемого расплава;
- отсутствие загрязнения окружающей среды;
- низкий уровень шума;
- малые затраты на футеровку печи.
Кроме того, следует отметить, что применение бегущего электромагнитного поля для нагревания металла в тигельных печах позволит добиться равномерного химического состава металла, а также ускорить процесс выделения вредных веществ из расплава.
Для экономии электроэнергии при плавке металла в тигельных печах необходимо оптимизировать работу индукционных нагревателей. С этой целью предлагается использовать вместо индуктора с одной обмоткой несколько индукторов для создания бегущего электромагнитного поля. Трёхфазным током частотой 50 Гц создаётся бегущее электромагнитное поле, оказывающее силовое воздействие на расплав. Одновременно в тигельной печи осуществляется нагревание металла.
Это позволяет получить ряд преимуществ:
- уменьшится расход проводникового материала;
31
- повысится скорость плавки и, как следствие, уменьшится энергоёмкость процесса;
- повысится качество выплавляемого металла.
Принципиальная схема подключения обмоток Ш-образных индукторов приведена на рисунке 2 [4].
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема подключения обмоток индукторов
к питающей сети
Возможность регулирования напряжения позволяет изменять напряжённость электромагнитного поля, а встречное и согласное включение обмоток — изменять скорость перемешивания расплава. Регуляторы напряжения 1 и 2 обеспечивают изменение конфигурации наводимых полей. При этом напряжение на обмотке 3 должно быть выше, чем на обмотке 4, чтобы избежать реверса. При равенстве напряжений и встречном включении скорость вращения будет равна нулю [2; 4].
Расчёт электромагнитных и тепловых полей заключался в построении геометрической модели и разбиении её на конечные элементы. Используя математическую модель исследуемого объекта, созданную при использовании программных комплексов «Е1сиЬ> и «МаШсад», получены картины распределения плотности тока (рис. 3—4) и температурных полей (рис. 5 — 6) при встречном и согласном включении обмоток индукторов. Плотность тока индуктора характеризует эффективность индукционного нагрева.
На основании выполненных расчётов определено, что при встречном включении обмоток индукторов силы будут направлены встречно. Электродинамическая сила второго индуктора в расчёте принимается отрицательной. Воздействие, оказываемое на пластину, будет наименьшим в точке между индукторами.
32
Рис. 3. Картина распределения плотности тока при встречном (а) и согласном (б) включении обмоток индукторов (для значения силы тока 500 А)
Рис. 4. Картины распределения температурного поля при встречном (а) и согласном (б) включении обмоток индукторов (для значения силы тока 500 А)
При согласном включении обмоток индукторов сила будет оказывать наибольшее воздействие в центральной зоне пластины (от 100 до 330 мм), что приходится на пространство между индукторами. Кроме
33
того, максимальное единичное значение приложенной силы при согласном включении будет в 1,5 раза больше, чем при встречном.
Из картин распределения температурного поля видно, что при встречном включении обмоток индукторов температура нагрева меньше, однако и меньше неравномерность распределения температур (перепад температур не превышает 10 °С). При согласном включении максимальное значение температуры возрастает, однако возрастает и неравномерность распределения температур (разница температур составляет 38 °С).
Таким образом, можно сделать вывод, что при применении индукторов с бегушцм электромагнитным полем для нагревания металла в тигельных печах возможно обеспечить равномерное распределение теплового поля по всему объёму и равномерный химический состав расплава, а также уменьшить энергоёмкость процесса плавления.
Список литературы
1. Антонов Н. В., Татевосова Л. И. Электропотребление России в 2008 году: вхождение в кризис / / Электрика. 2010. № 5. С. 3 — 12.
2. Базаров А. А., Данилушкин А. И., Никитина Е. А. Моделирование и расчёт внутренних источников тепла в трёхфазном индукторе с вращающимся магнитным полем / / Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2009. Вып. 2 (24). С. 120 — 127.
3. Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1960. 456 с.
4. Качанов А. Н., Качанов Н. А., Коренков Д. А. Классификация и область применения систем низкотемпературного индукционного нагрева с разомкнутыми магнитопроводами / / Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. 2016. № 2. С. 36—40.
5. Об энергосбережении и энергетической эффективности: Федеральный закон РФ от 23.11.09 г. № 261-ФЗ.
6. Ткаченко С. С., Кривицкий В. С. Проблемы модернизации литейного производства станкостроения / / Литейное производство. 2012. № 5. С. 6 — 8.
7. Фомин Н. И., Затуловский Л. М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. М.: Металлургия, 1989. 247 с.
8. Электротехнологические промышленные установки: учебник для вузов / И. П. Евтюкова, Л. С. Кацевич, Н. М. Некрасова, А. Д. Свенчанский; под ред.
А. Д. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1982. 400 с.
* * *
Koroleva Tatiana G., Shcherbakov Nikolai A.
THE USE OF A TRAVELING ELECTROMAGNETIC FIELD
FOR HEATING METAL IN CRUCIBLE FURNACES
(Oryol State University named after I. S. Turgenev, Orel, Russia)
The article demonstrates the relevance of using a traveling electromagnetic field for heating metal in crucible furnaces. The main advantages of using a traveling electromagnetic field for heating metal are formulated. The analysis of the components of electricity losses in a crucible furnace is carried
34
out. The influence of the counter and consonant inclusions of the inductor windings on the
distribution of electromagnetic and thermal fields is investigated.
Keywords: crucible furnaces, traveling electromagnetic field, metal heating, uniform temperature
distribution.
DOI: 10.24412/2227-1384-2023-150-30-35
References
1. Antonov N. V., Tatevosova L. I. Electricity consumption in Russia in 2008: entry into the crisis [Elektropotrebleniye Rossii v 2008 godu: vkhozhdeniye v krizis], Elektrika, 2010, no. 5, pp. 3-12.
2. Bazarov A. A., Danilushkin A. I., Nikitina Ye. A. Modeling and calculation of internal heat sources in a three-phase inductor with a rotating magnetic field [Modelirovaniye i raschot vnutrennikh istochnikov tepla v trokhfaznom induktore s vrashchayushchimsya magnitnym polem], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser. Tekhnicheskiye nauki, 2009, Issue. 2 (24), pp. 120 — 127.
3. Vaynberg A. M. Induktsionnyye plavil'nyye pechi (Induction melting furnaces), Moscow—Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1960. 456 p.
4. Kachanov A. N., Kachanov N. A., Korenkov D. A. Classification and scope of low-temperature induction heating systems with open magnetic cores [Klassifikatsiya i oblast' primeneniya sistem nizkotemperaturnogo induktsionnogo nagreva s razomknutymi magnitoprovodami], Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta. Vestnik MEI, 2016, no. 2, pp. 36—40.
5. Ob energosberezhenii i energeticheskoy effektivnosti (On energy saving and energy efficiency), Federal Law of the Russian Federation of November 23, 2009 No. 261-FZ.
6. Tkachenko S. S., Krivitskiy V. S. Problems of modernization of the foundry production of machine tools [Problemy modernizatsii liteynogo proizvodstva stankostroyeniya], Liteynoye proizvodstvo, 2012, no. 5, pp. 6— 8.
7. Fomin N. I., Zatulovsky L. M. Elektricheskiye pechi i ustanovki induktsionnogo nagreva (Electric furnaces and installations of induction heating), Moscow, Metallurgiya Publ., 1989. 247 p.
8. Evtyukova I. P., Katsevich L. S., Nekrasova N. M., Svenchansky A. D.; Svenchansky A. D. (ed.). Elektrotekhnologicheskiye promyshlennyye ustanovki (Electrotechnological industrial installations), Moscow, Energoizdat, 1982. 400 p.
■A * *
35
