ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ ТОКА В ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена обоснованию и выбору рациональной рабочей частоты тока индукционных тигельных печах. Расмотрены критерии при выборе частоты тока индукционных печей, обеспечивающие повышение коэффициента полезного действия (к.п.д.) печи, увеличение производительности,  а также  снижение стоимости электрооборудования. Приведена методика определения зависимости электрического к.п.д. системы “индуктор – металлошихта” от частоты.

ABSTRACT

The work is devoted to the substantiation and selection of a rational operating frequency of the current in induction crucible furnaces. Criteria are considered when choosing the current frequency of induction furnaces, which provide an increase in the efficiency of the furnace, an increase in productivity, and a decrease in the cost of electrical equipment. A technique for determining the dependence of the electrical efficiency is given. of the “inductor-metal charge” system on frequency.

Ключевые слова: частота тока, металлошихта, индукционная тигельная печь, электрооборудования, плавка.

Keywords: current speed, metal charge, consumable crucible furnace, electrical equipment, melting.

Частота тока для индукционных тигельных печей (ИТП) является важным эксплуатационным параметром, определяющим технико-экономические показатели индукционной плавки.  От частоты тока зависит размеры кусков шихтовых материалов. Для эксплуатации индукционных тигельных печей необходимо оценить частоту тока.

Главными критериями при выборе частоты являются экономичность эксплуатации и минимальная величина капитальных за­трат. Влияние частоты на величину капитальных затрат сказывается в том, что стоимость преобразователя ча­стоты и конденсаторной батареи, являющихся основны­ми составляющими стоимости индукционной установки, зависят от частоты тока. Так как стоимость преобразователя частоты (на 1 квар) с увеличением частоты растет по причине сложности электрооборудования, а стоимость 1 квар конденсаторной батареи с увеличе­нием частоты, наоборот, снижается, по причине снижения необходимой емкости конденсаторной батарей, то суммарная стои­мость преобразователя и конденсаторной батареи не остается постоянной при изменении частоты.

Емкость конденсаторной батареи для ИТП обратно пропорциональна частоте f. С понижением частоты емкость, габариты и стоимость конденсаторной батареи возрастают. Стоимость конденсаторной батареи возрастает медленнее, чем ,так как с уменьшением частоты меняются коэф­фициенты реактивной мощности, учитывающий особенности физических процессов распростра­нения (затухания и отражения) цилиндрических электромагнитных волн в индукторе и в металли­ческом цилиндре. Поэтому стоимость конденсаторной батареи составляет наибольшую часть стоимости электрооборудования.

С повышением частоты возможно повышение цены единицы емкости конденсатора (вследствие использования более качественного диэлектрика), но в общем стоимость преобразователя частоты возрастает, и можно определить экономически оптимальную частоту , при которой суммарная стоимость электрооборудования будет наименьшая. На рис. 1 приведена зависимость стоимости электрооборудования ИТП от частоты тока.

Рисунок 1. Зависимость стоимости электрооборудования ИТП от частоты: 1 - преобразователь частоты; 2-конденсаторная батарея; 3-суммарная стоимость

Как видно из рис. 1 с увеличением частоты тока возрастает стоимость преобразователя частоты тока, стоимость конденсаторной батареи уменьшается, а суммарная стоимость электрооборудования индукционных печей имеет область оптимальных значений. Поэтому при выборе электрооборудования необходимо пользоваться областью оптимальных значений частоты тока.

Значения минимальной  и критической   частоты тока определяют для момента плавки, когда металлошихта, состоящая из отдельных кусков, уже потеряла магнитные свойства (выше точки Кюри), но еще не “сварилась” в сплошной цилиндр.

Для эксплуатации ИТП необходимо оценить частоту тока. В таблице 1 приведена оптимальные размеры кусков металлошихты в зависимости от частоты тока при температурах 300 и 1100 К.

Таблица 1.

Рациональные размеры кусков шихты при выплавке стали

Как видно из таблицы 1 с увеличением частоты тока уменьшается размеры кусков. При предварительно нагретой шихте можно увеличить   размеры кусков.

Выбор рабочей частоты  тока индукционных тигельных печей основан на определении минимальной (необходимой) , критической  и экономически оптимальной  частоты.

Рабочую частоту тока  выбирают из условия:

.

Критическую частоту  в качестве достаточного условия выбора рабочей частоты тока  определяют графо-аналитическим методом с учетом зависимости электрического к.п.д.  системы “индуктор - металл” от   частоты :

где  – симплекс относительного внутреннего (“активного”) диаметра индуктора (по отношению к диаметру металла );

 – симплекс относительной высоты индуктора (по отношению к высоте металла );

 Ом∙м – УЭС медного водоохлаждаемого индуктора;

 - УЭС жидкой стали;

 и  –коэффициенты активной мощности, характеризующие условия затухания цилиндрической электромагнитной волны соответственно в индукторе и в расплавляемом металле и зависящие от соответствующих относительных “активных” диаметров индуктора ;

 –коэффициент заполнения индуктора;

 – коэффициент, характеризующий рассеяние магнитного потока в данной системе “индуктор – металл” и зависящий от соотношений геометрических симплексов

Результаты расчета электрического к.п.д. системы “индуктор - металлошихта”  по формуле 1 приведены  в табл. 2 и на рис. 3.

Таблица 2.

Исходные данные для расчета электрического к.п.д.

Рисунок 3. Зависимость электрического к.п.д. системы “индуктор – металлошихта” от частоты тока

Как видно из рис. 3 для ИТП производительностью 6 тонн, с увеличением частоты возрастает электрический к.п.д. и при  частоте 500 Гц достигает своего максимального значения, т.е. . Поэтому для ИТП вместимостью 6 тонн целесообразно выбрать частоту тока 500 Гц.

Заключение. Полученные результаты исследования по выбору частоты тока индукционных печей, обеспечивающие повышение коэффициента полезного действия печи, увеличение производительности, а также снижение стоимости электрооборудования, позволили рекомендовать при проектировании индукционных печей целесообразно учитывать рациональные значения частоты тока исходя из максимального значения электрического к.п.д. с учетом производительности печи.

Список литературы:

1. Tursunov, N. K., Semin, A. E., & Sanokulov, E. A. (2017). Research of dephosphorization and desulfurization processes in smelting of 20GL steel in an induction crucible furnace with further processing in a ladle using rare earth metals. Chern. Met., 1, 33-40.
2. Алимухамедов, Ш. П., & Гапиров, А. Д. (2018). Напряженно-деформированное состояние устройства для гашения динамических нагрузок в трансмиссии транспортных машин. Universum: технические науки, (12 (57)), 23-28.
3. Турсунов, Н. К., Тоиров, О. Т., Железняков, А. А., & Комиссаров, В. В. (2021). Снижение дефектности крупных литых деталей подвижного состава железнодорожного транспорта за счет выполнения мощных упрочняющих рёбер.
4. Турсунов, Н. К., & Тоиров, О. Т. (2021). Снижение дефектности рам по трещинам за счёт применения конструкции литниковой системы.
5. Toirov, O. T., Tursunov, N. Q., Nigmatova, D. I., & Qo’chqorov, L. A. (2022). Using of exothermic inserts in the large steel castings production of a particularly. Web of Scientist: International Scientific Research Journal, 3(1), 250-256.
6. Toirov, O. T., Tursunov, N. Q., & Nigmatova, D. I. (2022, January). Reduction of defects in large steel castings on the example of" side frame". In International Conference on Multidimensional Research and Innovative Technological Analyses (pp. 19-23).
7. Турсунов, Н. К., Санокулов, Э. А., & Семин, А. Е. (2016). Исследование процесса десульфурации конструкционной стали с использованием твердых шлаковых смесей и РЗМ. Черные металлы, (4), 32-37.
8. Турсунов, Н. К., Семин, А. Е., & Котельников, Г. И. (2017). Кинетические особенности процесса десульфурации при выплавке стали в индукционной тигельной печи. Черные металлы, (5), 23-29.
9. Tursunov, N. K., Semin, A. E., & Sanokulov, E. A. (2016). Study of desulfurization process of structural steel using solid slag mixtures and rare earth metals. Chernye metally, 4, 32-7.
10. Турсунов, Н. К., Сёмин, А. Е., & Санокулов, Э. А. (2017). Исследование в лабораторных условиях и индукционной тигельной печи вместимостью 6 тонн режимов рафинирования стали 20ГЛ с целью повышения ее качества. Тяжелое машиностроение, (1-2), 47-54.
11. Турсунов, Н. К. (2021). Обоснования требований к сталям ответственного назначения, используемым в железнодорожном транспорте.
12. Аkhmedov, D., Alimukhamedov, S., Tursunov, I., Narziev, S., & Riskaliev, D. (2021). Modeling the steering wheel influence by the driver on the vehicle's motion stability. In E3S Web of Conferences (Vol. 264). EDP Sciences.
13. Турсунов, Н. К., & Тоиров, О. Т. (2021). Снижение дефектности рам по трещинам за счёт применения конструкции литниковой системы.
14. Турсунов, Н. К. (2021). Исследование и совершенствование режимов рафинирования стали в индукционных печах с целью повышения качества изделий.
15. Турсунов, Н. К. (2021). Повышение качества стали за счёт применения редкоземельных металлов.
16. Турсунов, Н. К. (2021). Повышение качества стали, используемой для изготовления литых деталей подвижного состава, за счет применения модификаторов.