Сравнительный анализ технологии выплавки стали и чугуна в индукционной тигельной ИСТ-0,4/0,32 и индукционной тиристорной УИ-0,5Т-400 электропечах

beams with a rectangular section, one of which has a uniform cross section of alloy 2024, the second in the lower part of the area (10% of height) of the welded alloy 6013, and the rest also made of alloy 2024. The calculation was carried out using step functions and beam theory. The proposed algorithm, based on the use of stepwise approximation, makes it possible to obtain compact analytical relations for the calculation of structures with a combined cross section of an arbitrary configuration.

Key words: welded structures, laser beam welding, strength, tensile strength, stringer, step approximation, combined sections

Babaytsev Arseniy Vladimirovich, researcher, Ar7eny-f iamail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Zotov Anatoly Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, aa-zotovainbox.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute

УДК 634.377

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ И ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ИСТ-0,4/0,32 И ИНДУКЦИОННОЙ ТИРИСТОРНОЙ УИ-0,5Т-400 ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Л.Г. Саранин, П.И. Маленко, С.К. Захаров, Д.Б. Белов, О.В. Костыгова

Представлены результаты сравнительного анализа работы используемых для выплавки чугунов и сталей двух видов электропечей: индукционной тигельной ИСТ-0,4/0,32 и индукционной тиристорной УИ-0,5Т-400. Произведена оценка технических характеристик электропечей и показано преимущество электропечи УИ-0,5Т-400 по сравнению с электропечью ИСТ-0,4/0,32. Исследование проведено в условиях литейного цеха ООО "ЛИНКПРОМОБОРУДОВАНИЕ".

Ключевые слова: индукционная тигельная электропечь; магнитное поле; шихта; электронный контур; тиристорный преобразователь; тигель.

На сегодняшний день рынок металлопродукции предъявляет ряд жестких требований, как к служебным свойствам черных сплавов, так и к себестоимости их получения. Значительную долю рынка занимают детали механизмов и изделия из конструкционных чугунов и углеродистых качественных сталей [1].

В настоящее время на территории РФ и стран ближнего зарубежья происходит накопление легковесного и стального лома, который затруднительно перерабатывать на высококачественные сплавы с использованием классических металлургических схем. Выход из сложившейся ситуации возможен в создании ряда предприятий с неполным рабочим металлургическим циклом. Главными плавильными агрегатами таких "мини-заводов" стали индукционные сталеплавильные печи, которые способны работать полностью на твердой металлошихте [2].

Одной из главных проблем технологий выплавки высококачественных сплавов в индукционных печах являются конструктивные ограничения возможности проведения активных металлургических операций, что в ряде случаев усугубляется наследственным влиянием качества шихтовых материалов, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.

496

Основным направлением развития современной металлургии является исследование и разработка технологий получения сплавов повышенного качества за счет применения нового и совершенствования имеющегося технологического оборудования для выплавки, внепечной обработки и оценки качества шихтовых материалов.

Все вышесказанное предопределяет актуальность данной работы, в которой представлены результаты сравнительного анализа выплавки сплавов на двух видах индукционных электропечей: электропечь старого образца выпуска 80-90-х годов XX в. марки ИСТ-0,4/0,32 (рис. 1); модернизированная современная электропечь марки УИ-0,5Т-400 (рис. 2).

Рис. 1. Индукционная тигельная печь ИСТ-0,4/0,32

Рис. 2. Модернизированная индукционная печь УИ-0,5Т-400

Общей характеристикой этих печей является принцип их работы, основанный на свойстве переменного тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле. При этом проводником является расплавленный металл (шихта), уложенная в тигле печи. Магнитное поле создается при помощи индуктора, выполненного однослойным из медной трубки, намотанной на наружную обшивку тигля. Таким образом, индуктор представляет из себя рабочую многовитковую катушку. Индуктированные вихревые токи преобразуются в теплоту, которая выделяется внутри разогреваемого тела, то есть шихты и расплавляет ее [3-6].

Для увеличения производительности индукционных электропечей, улучшения показателей плавки и уменьшения угара металла используются токи повышенной частоты (в рассматриваемых электропечах - 1000Гц). Для этого в схему плавильного комплекса включен тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ). ТПЧ построен по схеме двухзвенного преобразователя частоты (с явным звеном постоянного тока). Функциональная блок-схема преобразователя представлена на рис. 3.

К силовому трансформатору

-50 Гц 380 8

г-т-

I

Выпрямитель

блок

реакторов Инвертор и-

. I 500/1000 Ги.

.Левов

Рис. 3. Функциональная блок-схема ТПЧ

Основными элементами электропечей являются керамический тигель, индуктор и подина (днище). Тигель и подина выполняются из специальных футеровочных масс [7], состав которых приведен в табл. 1 и 2.

Состав футеровочной смеси для набивки подины

Таблица 1

№ п/п Наименование материала Марка, ТУ, ГОСТ

1 Смесь порошков шамота и высокоглинозёмистого цемента СШВЦ-40 по ТУ 14-8-2/4-76

2 Порошок магнезитовый спеченный молотый ТУ 14-8-115-74

3 Полифосфат натрия ГОСТ 20291-80

4 Ткань асбестовая АТ-3 или АТ-7 ГОСТ 6102-78

5 Картон асбестовый толщ. 5 мм КАОН-1

6 Миканит ФФК тощ. 0,15-0,15 ГОСТ 6122-75

Таблица 2

Состав футеровочной смеси для обмазки тигля_

№ п/п Наименование материала Марка, ТУ, ГОСТ

1 Кварцит молотый ПКМИ-97,5, влажн. не более 0,3% ТУ 8-246-77

2 Кварцит молотый пылевидный марки «А» ГОСТ 9077-82

3 Цемент высокоглиноземистый ВЦ-75 ТУ 21-20-6084

4 Борная кислота, влажность, не более 0,2% ГОСТ 9556-75

5 Ткань кремнезёмистая ТКТ- ТО

6 Картон асбестовый толщ. 3-5 мм ГОСТ 2850-80

7 Слюдопласт гибкий толщ. 0,2-0,3 мм ИфГ-КАХВ

8 Глина огнеупорная молотая ЛТ-1

К этим деталям печи предъявляют повышенные требования: стойкость в отношении температурных напряжений при отсутствии больших объёмных изменений, малый коэффициент линейного расширения; высокая механическая прочность при рабочей температуре; химическая стойкость по отношению к расплавляемому металлу и шлаку при температуре разливки; набивная масса не должна быть электропроводной.

Технология выплавки стали и чугуна состоит из следующих операций [8, 9]. После загрузки шихты сверху в тигель, к электронному контуру, состоящему из индуктора и конденсаторной батареи, подается питание от преобразователя повышенной частоты (1000 Гц), после чего начинается разогрев и плавка шихты.

Управление режимом плавки осуществляется вручную с панели шкафа управления тиристорного преобразователя. Настройка колебательного контура происходит автоматически [10].

В процессе плавки по мере расплавления производится догрузка шихты вручную. По достижении необходимой температуры расплава и после проведения ряда технологических операций по доведению металла до готовности (удаление шлака, взятие пробы для анализа химического состава, добавки в состав при необходимости легирующих элементов), производится слив металла в разливочный ковш.

В качестве примеров выплавленных в электропечах ИСТ-0,4/0,32 и УИ-0,5Т-400 сплавов ниже приводятся отчеты по результатам анализов химического состава стали Н5М3 (номер пробы 2624Ф от 04.05.2018 г.) (табл. 3) и серого чугуна СЧ25 (номер пробы 1498Ф от 05.05.2018 г.) (табл. 4). Анализ проб производился в условиях заводской лаборатории предприятия ООО "ЛИНК ПРОМОБОРУДОВАНИЕ" спектрометром "Искролайн 100".

Результаты анализа химического состава стали И51

Таблица 3

Элемент С1 С2 С3 среднее СКО ед. Отн. СКО, %

А1 0,04608 0,03923 0,04101 0,04211 0,00355 8,4

С 0,09521 0,09224 0,901 0,09252 0,00257 2,8

Сг 16,29 16,12 16,1 16,17 0,1 0,6

Си 0,155 0,1583 0,1588 0,1574 0,0021 1,3

Мп 0,7919 0,7873 0,7861 0,7884 0,0031 0,4

Мо 3,05 3,344 3,154 3,183 0,149 4,7

N1 4,947 5,016 4,966 4,976 0,036 0,7

Р 0,03769 0,03829 0,03477 0,03692 0,00188 5,1

Б 0,01561 0,01429 0,0124 0,0141 0,00161 11,4

Б1 0,816 0,8002 0,8465 0,8209 0,0235 2,9

Т1 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0 0

V 0,04624 0,0455 0,04621 0,04598 0,00042 0,9

W 0,1847 0,174 0,1981 0,1856 0,0121 6,5

43

Результаты анализа химического состава серого чугуна СЧ25

Таблица 4

Элемент С1 С2 С3 среднее СКО ед. Отн. СКО, %

С 3,143 3,158 3,015 3,105 0,079 2,5

Сг 0,223 0,223 0,2216 0,2225 0,0008 0,4

Си 0,07206 0,06996 0,07082 0,07095 0,00106 1,5

Мп 0,9653 0,9611 0,9304 0,9523 0,0191 2,0

Мо 0,01444 0,01852 0,01417 0,01571 0,00244 15,5

N1 0,1812 0,1794 0,1814 0,1807 0,0011 0,6

Р 0,01377 0,01408 0,01287 0,01357 0,00063 4,6

Б 0,005703 0,006761 0,00741 0,006625 0,000862 13,0

Б1 1,83 1,832 1,828 1,83 0,002+ 0,1

Бп 0,004066 0,005315 0,002656 0,004012 0,00133 33,2

Т1 0,02862 0,02759 0,02651 0,02757 0,00106 3,8

V 0,01935 0,01822 0,01932 0,01896 0,0121 6,5

В табл. 3 и 4 приняты следующие обозначения: элемент - перечень элементов, выбранных для анализа; С1, С2, С3 - массовая доля элемента в пробе (3х кратное повторение), %; среднее - среднее значение массовой доли элемента в проверяемой пробе, %; СКО ед. - абсолютное среднее квадратичное отклонение единичного измерения, %; отн. СКО - относительное СКО единичного измерения, %.

Индукционные печи старого образца ИСТ-0,4/0,32 эксплуатируются на предприятии с 2010 г. по настоящее время. В связи с модернизацией производства и введением в эксплуатацию нового литейного цеха, встал вопрос о приобретении новых индукционных электропечей. Анализ эксплуатации печей ИСТ-0,4/0,32 выявил ряд существенных недостатков в их работе. Поэтому было принято решение о приобретении новых, модернизированных современных индукционных электропечей УИ-0,5Т-400, которые были установлены и пущены в эксплуатацию в 2017 г. Сравнительный анализ технических показателей старых (ИСТ-0,4/0,32) и новых (УИ-0,5Т-400) электропечей наглядно отображено в табл. 5.

Как видно из приведенных технических данных электропечей ИСТ-0,4/0,32 и УИ-0,5Т-400, преимущества модернизированной электропечи УИ-0,5Т-400 очевидны. Так, при повышенной мощности (0,4 МВТ у электропечи УИ-0,5Т-400 против 0,32

499

МВт у электропечи ИСТ-0,4/0,32) и большей производительности (0,35 т/ч у электропечи УИ-0,5Т-400 против 0,26 т/ч у электропечи ИСТ-0,4/0,32) наблюдается уменьшение удельного расхода электроэнергии (640 кВт- ч/т у электропечи УИ-0,5Т-400 против 680 кВт- ч/т у электропечи ИСТ-0,4/0,32).

Таблица 5

Сравнительный анализ технических данных электропечей ИСТ-0,4/0,32 и УИ-0,5Т-400_

№ п/п Параметры Электропечь ИСТ-0,4/0,32 Электропечь УИ-0,5Т-400

1 Емкость, т 0,4 0,5

2 Производительность по расплавлению и нагреву, включая загрузку шихты и слив металла, т/час 0,26 0,35

3 Удельный расход электроэнергии кВт ч/т 680 640

4 Мощность, МВт 0,32 0,4

Достижение таких значительных преимуществ в модернизации электропечи УИ-0,5Т-400 в технологическом и экономическом направлениях стало возможным благодаря совершенствованию следующих элементов плавильного комплекса: оборудование серии УИ разработано при участии американских и немецких производителей и включает в себя комплектующие фирмы SIEMENS, интегральную схему ASIS-2 и японские конденсаторы Rubycon (для сравнения: элементная база и схемотехника электропечи ИСТ смонтирована на уровне 80-х годов XX в. и скопирована с тиристорных преобразователей эстонского производства); усовершенствованная система охлаждения позволяет защищать от перегрева не только источник питания и индуктор, но и тиристоры, конденсаторы и другие элементы комплекса. Система охлаждения работает полностью в автоматическом режиме. В результате значительно увеличился срок службы тиристоров и конденсаторов. Так, на старых печах ИСТ-0,4/0,32 замену тиристоров производили через 50...100 плавок. На новых печах ресурс тиристоров достигает 1500...2000 плавок; удобное конструкционное исполнение всех элементов плавильного комплекса УИ-0,5Т-400 позволяет проводить ремонт и техническое обслуживание агрегатов в более кратчайшие сроки, чем электропечи ИСТ-0,4/0,32.

Подводя итоги и основываясь на практических результатах работы старых и новых электропечей можно сделать следующие выводы:

1. Выплавка стали и чугуна в смену в новом литейном цехе на трёх модернизированных электропечах УИ-0,5Т-400 по сравнению с выплавкой металла в старом цехе на трёх печах ИСТ-0,4/0,32 увеличилась в четыре раза: в старом цехе выплавляется в смену до 1,5 тонн металла, а в новом цехе до 6 тонн.

2. Применение модернизированных электропечей позволило сократить удельный расход электроэнергии на 0,6 % на 1 тонну выплавляемого металла, что позволило значительно снизить себестоимость продукции предприятия.

Список литературы

1. Кузьмин Б. А., Самохоцкий А.И., Кузнецова Т.Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы: учебник для техникумов. М.: Высшая школа, 1977. 304 с.

2. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т. 2. Машины и агрегаты сталеплавильных цехов: учебник для вузов / А.И. Целиков [и др.]. М.: Металлургия, 1988. 432 с.

3. Индукционные печи для плавки чугуна / Б.П. Платонов [и др.]. М.: Машиностроение, 1976. 176 с.

4. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1988. 336 с.

5. Самохвалов Г.В., Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М.: Металлургия, 1984. 232 с.

6. Брокмайер К. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1972. 304 с.

7. Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия, 1989.

232 с.

8. Дубровский С.А., Шипельников А.А., Роготовский А.Н. Технология выплавки углеродистой стали в индукционных сталеплавильных печах // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2009. № 1 (15). C. 98-102.

9. Маляров А. И. Некоторые особенности технологии плавки в среднечастотных тигельных печах // Металлургия машиностроения. 2017. № 4. С. 7-9.

10. Федин М.А. Выбор принципа регулирования и разработка системы управления индукционных тигельных печей с проводящим тиглем // Индукционный нагрев. 2014. № 1 (27). С. 24-28.

Саранин Леонид Геннадьевич, студент, saranin53amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доцент, malenko atsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Захаров Сергей Константинович, канд. техн. наук, доцент, zzzsk19 71@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Белов Дмитрий Борисович, канд. техн. наук, доцент, imsbelovamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Костыгова Ольга Викторовна, студент, kostygova oamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

A COMPARATIVE ANALYSIS OF THE TECHNOLOGY OF SMELTING IRON AND STEEL IN INDUCTION CRUCIBLE FURNACES IST-0,4/0,32 AND INDUCTION THYRISTOR UI-0,5T-400 ELECTRIC FURNACES

L.G. Saranin, P.I. Malenko, S.K. Zakharov, D.B. Belov, O.V. Kostygova

The results of comparative analysis of the work used for smelting of iron and steel 2 types of electric furnaces: induction crucible IST-0,4/0,32 and induction thyristor UI—0,5T— 400. The evaluation of technical characteristics of electric furnaces and shows the advantage of electric furnace UI-0,5T-400 before electric furnace IST-0,4/0,32. The study was conducted in the conditions of the foundry, LLC "LINK PROMOBORUDOVANIE".

Key words: induction crucible furnace, magnetic field, a charge, an electronic circuit, a thyristor converter, a crucible.

Saranin Leonid Gennadievich, student, saranin53a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical sciences, docent, malen-koatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zakharov Sergey Konstantinovich, candidate of technical sciences, docent, zzzsk19 7l ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

501

Belov Dmitry Borisovich, candidate of technical sciences, docent, imsbelov@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kostygova Olga Viktorovna, student, kostygova_o@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 62-50

УПРАВЛЕНИЕ ОДНООСНЫМ КОЛЕСНЫМ МОДУЛЕМ, ПЕРЕМЕЩАЮЩИМСЯ НА НЕРОВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ЗАДАННОЙ

ТРАЕКТОРИИ

А.И. Черноморский, В.В. Михеев

Предложен вариант решения задачи управления одноосным колесным модулем с горизонтируемой платформой, имеющей две степени свободы относительно оси колесной пары модуля. Он перемещается без проскальзывания по пространственно-временной траектории на негоризонтальной неровной поверхности. Представлена математическая модель движения модуля и алгоритмы формирования напряжений, управляющих исполнительными элементами системы горизонтирования платформы. Разработаны алгоритмы управлений приводными электродвигателями колес, обеспечивающие вывод модуля из произвольной точки негоризонтальной неровной подстилающей поверхности и последующее движение по такой пространственно-временной траектории, проекция которой на горизонтальную плоскость является заданной.

Ключевые слова: одноосный колесный модуль, негоризонтальная неровная поверхность, горизонтирование платформы, траекторное управление.

Введение. Одноосный колесный модуль (ОКМ) с двухстепенной горизонтируемой платформой предназначен для транспортировки аппаратуры мониторинга окружающей среды с целью, в частности, измерения уклонов подстилающей поверхности, наведения визирной линии для наблюдения за объектами наземной инфраструктуры и воздушного пространства [1].

Принципиальная схема рассматриваемого ОКМ с двухстепенной платформой представлена на рис. 1 [2]. Он является фактически наземным колесным двухосным индикаторным (отсутствуют силовые гироскопы) стабилизатором платформы, установленной в раме, ось которой - ось колесной пары.

ОКМ (рис. 1) включает: колёсную пару с колеей 2Ь и с осью вращения OГ^р

(совпадает с осью вращения рамы, OГ - центр оси колёсной пары), на которой расположены управляемые приводными электродвигателями колёса радиусом г , массой mк ; раму с центром масс в точке OГ и с расположенным на ней первым стабилизирующим маховиком массой mм , у которого ось вращения параллельна оси стабилизации OГ ^р , с возможностью его поступательного перемещения на величину pl электродвигателем линейных перемещений вдоль оси, параллельной продольной оси рамы OГ Xр и отстоящей от этой оси на расстоянии 1м1; платформу массой mф с приборным кронштейном, с осью вращения (стабилизации) OГ xп , совпадающей с осью OГ Xр , и расположенными на ней вторым стабилизирующим маховиком массой mм, у которого ось вращения параллельна оси платформы OГxп , с возможностью его поступательного перемещения на величину p2 электродвигателем линейных перемещений вдоль оси