Установка индукционной плавки металлов
INSTALLATION OF INDUCTION MELTING OF METALS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и металлургии, а именно, к оборудованию для индукционного нагрева и плавки металлов. Индукционные тигельные печи (ИТП) широко используются для получения точных сплавов металлов, в которых реализуются технологии плавки с управляемым движением расплава и характера циркуляции металла.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является установка индукционной плавки содержащая полупроводниковый преобразователь частоты с параллельным инвертором тока и ИТП с однофазным индуктором [Л1] компании «ABP Induction», схема которого выбрана в качестве прототипа.
,
Проблемой указанного прототипа является невозможность управления движением металла во время плавки и перемешивания расплава. При однофазном питании индуктора расплавциркулирует по двум тороидальным контурам, обусловленным наличием нормального сжимающего электродинамического давления, неравномерно распределенного по высоте тигля, достигающего максимального значения в средней его части. Кроме этого, силовое воздействие на металл приводит к образованию мениска (выпуклости) на поверхности расплава [Л2]. Двухконтурная циркуляция металла приводит к неоднородности химического состава и к неравномерности распределения температуры в расплаветак как между циркулирующими контурами перемешивание металла практически отсутствует. При этом мениск приводит к переохлаждению его поверхности и к необходимости использования большого количества защитного шлака.
Предлагаемое изобретение - установка индукционной плавки металлов - позволяет устранить отмеченные недостатки установок классического исполнения и обеспечить эффективное управление движением металла в технологическом процессе обработки и легирования сплава.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Установка индукционной плавки, состоящая из индукционной печи с однофазным индуктором, зашунтированная компенсирующим конденсатором. Преобразователя частоты с инвертором тока, содержащим две параллельно соединенных группы вентилей, подключенных через фильтровый дроссель к зажимам постоянного тока выпрямителя, причем каждая группа состоит из двух последовательно соединенных вентилей, общие выводы которых подключены к индуктору.
Новым является то, что индуктор печи выполнен в виде секций, зашунтированных, дополнительными компенсирующими конденсаторами, а инвертор снабжен дополнительными группами последовательно соединенных вентилей, общие выводы которых подключены к общим выводам секций индуктора.
На фиг. 1 приведена схема установки индукционной плавки металлов, в которой обозначены:
1 - фильтровый дроссель;
2-9, 5-6 - две основные группы вентилей инвертора;
3-8, 4-7 - дополнительные группы вентилей инвертора;
10, 11, 12 - компенсирующие конденсаторы;
13, 14, 15 - секции индуктора печи.
I
U
U
U
U
U
н
н
н
12
13
23
11
12
12
Установка работает следующим образом. Основные группы вентилей образуют вентильный мост, в диагональ переменного тока которого включен индуктор печи. При попарном открывании вентилей 2 - 9 и 5 - 6 на выходе инвертора формируется переменный ток прямоугольной формы . Напряжение на колебательном контуре , образованном индуктором и компенсирующими конденсаторами, имеет синусоидальную форму, при емкостном характере полного сопротивления и фазовым сдвигом по отношению к основной гармонике тока инвертора на угол ϕ (см. фиг. 2а). Секции индуктора и компенсирующие конденсаторы образуют колебательные контуры 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, причем, собственные частоты верхних контуров должны быть выше нижних, при этом напряжение на верхних секциях индуктора имеет отстающий фазовый сдвиг по отношению к напряжению на нижних секциях индуктора. На векторной диаграмме (см.фиг.2,а) фазовый сдвиг напряжений  и  равен углу ϕ, а угол между напряжением  и  составляет ϕ. При этом геометрическая сумма напряжения на секциях равна общему напряжению на индукторе.
А
А
P
P
P
P
P
1
2
τ
12
τ
23
n
11
n
12
n
13
На такие же углы сдвинуты токи в секциях индуктора, которые индуцируют сдвинутые по фазе вихревые токи в ванне жидкого металла, в результате чего в сопряженных зонах секций индуктора  и  создаются тангенциальные электродинамические силы, направленные снизу вверх вдоль оси тигля ,  (фиг. 2б). Кроме этого, создаются нормальные составляющие сил электродинамического воздействия, вызывающие радиальное давление на ванну жидкого металла , , . Совместное действие осевых и радиальных сил способствуют образованию одноконтурной циркуляции металла с восходящими потоками металла у стенок тигля (см. фиг.2в). Однако осевые электродинамические силы значительно меньше радиальных, поэтому для изменения характера циркуляции металла в тигле осевых усилий, образующихся в расплаве, может быть недостаточно. Для повышения эффективности перемешивания металла целесообразно изменить режим электропитания секций индуктора так, что бы величина высокочастотного тока в них периодически изменялась в определенной последовательности. При этом нормальное электродинамическое давление, воздействующее на ванну жидкого металла, перемещается вдоль оси тигля, создавая бегущую волну давления с заданной скоростью и вызывая направленное движение жидкого металла. Такой режим электропитания секций индуктора обеспечивается в предлагаемой схеме инвертора тока, приведенной на фиг. 1.
P
P
P
P
P
n
13
n
11
n
12
τ12
τ23
В первом режиме работы инвертора попарно включаются вентили 2 - 7 и 3 - 6, при этом формируется выходной ток инвертора прямоугольной формы, питающий колебательный контур 12 - 15. В нем создается наибольший ток и развивается наибольше электромагнитное давление в нижней части тигля печи (см. фиг. 3а). В других секциях индуктора протекает ток взаимоиндукции, и создаются радиальные давления ,  значительно меньшие, чем в нижней части тигля, а также воздействуют осевые силы , .
P
P
P
P
P
n
12
n
13
n
11
τ23
τ12
Во втором режиме работы попарно включаются вентили 2 - 8, 4 - 6 и выходной ток инвертора протекает по двум последовательно соединенным колебательным контурам 11 - 14, 12 - 15. В них возбуждаются токи и создаются радиальные силы давления,  в нижней и средней части тигля печи (см. фиг. 3б). В верхней секции индуктора протекает ток взаимоиндукции и создается относительно небольшое радиальное давление .В расплаве также создаются наибольшие осевые силы и относительно небольшие .
P
P
P
P
P
n
11
n
12
n
13
τ12
τ23
В третьем режиме работы попарно включаются вентили 2 - 9, 5 - 6 и выходной ток инвертора протекает по трем последовательно соединенным колебательным контурам 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, в которых возбуждаются примерно одинаковые токи и создается одинаковое радиальное электромагнитное давление , , ,а в расплаве появляются одинаковые осевые силы ,  (см. фиг. 3).
Таким образом, фронт волны радиального давления при переходе от одного режима работы инвертора к другому движется вдоль оси печи снизу вверх со скоростью, определяемой частотой переключения режимов работы инвертора. При этом осевые силы в межсекционных зонах действуют в том же направлении, что способствует созданию одноконтурной циркуляции жидкого металла и активному его перемешиванию по всему рабочему объему печи.
Источники информации
1. Информационный католог индукции фирмы АВР «THYRISTOR CONVERTER WITH PARALLEL RESONANT CIRCUIT» www.abpinduction.com
2. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов М.: Энергия, 1967 г, с. 213.