Индукционные плавильные установки «ПАРАЛЛЕЛЬ» с высокочастотным нагревом металлов

№ 2’2016
PDF версия
В статье приведена методика определения основных технических параметров высокочастотных плавильных установок с индукционным нагревом, который наряду с плавкой металлов производится в тиглях, помещенных в индуктор плавильной печи. С помощью приведенных в методике графиков и таблиц определяются необходимая рабочая частота и мощность транзисторных или тиристорных преобразователей частоты (ПЧ). Рассмотрены состав и особенности индукционной плавильной тигельной (ИПТ) установки для плавки золота с ПЧ «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4», изготовленной на базе IGBT-модулей.

Методика определения параметров высокочастотных плавильных установок

При выборе нагревательной установки для индукционной плавки металлов важным представляется определение мощности и частоты полупроводникового преобразователя частоты. Для этого необходимы следующие исходные данные: определяющий размер нагреваемой детали, в частности диаметр в плоскости витков индуктора, производительность установки, материал детали и температура, а также время нагрева или плавки металла [1, 2, 3].

График теплосодержания различных металлов

Рис. 1. График теплосодержания различных металлов

Рассмотрим методику выбора основных параметров высокочастотных плавильных установок с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Такой нагрев и плавка металлов в этих установках производятся в шамотно-графитовых тиглях. Предлагаемая методика заключается в использовании приведенных графиков и таблиц, с краткими пояснениями к ним, в представленной ниже последовательности [2].

  1. Определяем теплосодержание тигля с нагреваемым металлом. На рис. 1 дан график теплосодержания различных металлов, плавка которых наиболее часто производится при высокочастотном индукционном нагреве. Руководствуясь им, определяем энергию, требующуюся для нагрева 1 кг выбранного металла, т. е. удельный расход электрической энергии.
  2. По таблице 1 устанавливаем КПД индукционной плавильной установки.
  3. Рассчитываем удельный расход энергии (кВт.ч/кг), разделив удельный расход энергии, полученный в пункте 1, на КПД из пункта 2.
  4. Определяем требуемую мощность нагревательной установки (кВт) как произведение удельного расхода энергии (кВт·ч/кг) из пункта 3 на производительность (кг/ч).
  5. В таблице 2 выбираем рабочую частоту источника питания установки, рекомендуемую для сквозного нагрева металла.
  6. В соответствии с рис. 2 выбираем частоту и мощность ППЧ, а также его тип — тиристорный или на основе IGBT-модулей.
Таблица 1. КПД нагрева металлов

Материал

Температура нагрева, °С

КПД

Сталь немагнитная

1250

0,60

Сталь магнитная

700

0,80

Алюминий и его сплавы

500

0,40

Латунь

800

0,50

Медь

900

0,40

Таблица 2. Рабочая частота плавильной установки (ППЧ)

Материал

Сталь немагнитная

Сталь магнитная

Латунь

Медь

Алюминий и его сплавы

Частота, кГц

Температура °С

1250

700

800

900

500

 

Диаметр, мм

60–250

8–35

35–440

22–800

22–800

0,5

40–175

6–25

30–300

15–600

15–600

1,0

30–100

3,5–14

15–180

9–350

9–350

2,4

20–85

2,5–10,5

10–130

7–260

7–260

4,0

14–60

2–8,5

8–100

5–180

5–180

8,0–10,0

10–40

1,5–5,5

6–75

3–125

3–125

18,0–22,0

4–22

0,7–3,0

3,5–40

2–75

2–75

44,0–66,0

3–17

0,5–2,0

2,5–30

1,75–60

1,75–60

100,0

Полученные данные могут уточняться с учетом конкретных требований к технологии индукционного нагрева.

Номинальные параметры и номенклатура полупроводниковых ПЧ для индукционных нагревательных установок типа «ПАРАЛЛЕЛЬ» приведены на рис. 2.

Номенклатура полупроводниковых ПЧ типа ПАРАЛЛЕЛЬ

Рис. 2. Номенклатура полупроводниковых ПЧ типа ПАРАЛЛЕЛЬ

Предприятие «Параллель» было основано в 1992 г. бывшими сотрудниками НКТБ «Вихрь» при Уфимском авиационном институте — организации, с начала 70-х годов известной в СССР своими достижениями в разработке и внедрении полупроводниковых и тиристорных преобразователей частоты. Поэтому «возраст» знаний, опыта и традиций значительно превышает возраст предприятия. Его профиль — разработка и производство промышленного оборудования для индукционного нагрева: источников питания и индукционных установок, обеспечивающих техпроцессы индукционного нагрева для закалки ТВЧ, индукционной плавки и литья, пайки и наплавки металлов, сварки и отпуска сварных швов, горячей посадки и распрессовки, нагрева труб, гибки и высадки, а также проведение научных исследований нового оборудования с использованием технологии индукционного нагрева.

Основа индукционных установок — полупроводниковые источники питания, которыми являются тиристорные и транзисторные преобразователи частоты (генераторы). Средне- и высокочастотные установки с маркой «Параллель» эксплуатируются на предприятиях России и СНГ, заменяя морально устаревшие ламповые, машинные и тиристорные генераторы. Они успешно конкурируют с продукцией зарубежных производителей. Многие из них по свойствам и характеристикам не имеют аналогов, например, индукционные установки серий «ПАРАЛЛЕЛЬ СТЫК», «ПАРАЛЛЕЛЬ ИП, ПАРАЛЛЕЛЬ ИНТ» и др. Помимо источников питания для электротермии, были разработаны преобразователи для питания высокочастотного электроинструмента.

В общем, специалисты предприятия «Параллель» имеют большой опыт в разработке устройств силовой электроники, а также в автоматизации промышленных предприятий и механизации технологических процессов.

Предприятие «Параллель» осуществляет комплексные поставки «под ключ» высокотехнологичного оборудования с номенклатурой мощности 10–800 кВт, индивидуальную разработку по техническим требованиям заказчика, шефмонтаж, пусконаладочные работы, поставку запчастей, послегарантийное обслуживание, обучение персонала.

Следует отметить, что произведение частоты на мощность ПЧ, в итоге, определяет его габариты. В настоящее время наблюдается тенденция широкого использования в ПЧ мощных IGBT-модулей, однако и тиристорные сборки не потеряли своего значения.

На рынке источников питания индукционных установок ТВЧ постоянно появляются все новые и новые транзисторные ПЧ, в большинстве своем снабженные современными регуляторами нагрева и отличающиеся конструкцией с незначительными вариациями силовых схем. Срок службы и надежность источников питания как параметры, интересующие потребителей, определяются квалификацией обслуживающего персонала [4, 5].

Ниже рассмотрим особенности индукционной плавильной тигельной установки ТВЧ, в которой ПЧ выполнен с использованием IGBT-модулей, в применении которых предприятие «Параллель» имеет большой опыт.

 

Индукционная плавильная установка «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Плавильная индукционная установка ИПТ-100-2,4 предназначена для плавки металлов и сплавов в графитно-шамотном или набивном тигле объемом до 50 кг по меди или до 110 кг по золоту. Ее эксплуатационные характеристики определяются выплавляемым металлом, качеством шихты и принятой технологией, а затем уточняются в процессе практической работы.

Условное обозначение плавильной индукционной установки типа «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4-0,05-Г-УХЛ4» расшифровывается следующим образом: ПАРАЛЛЕЛЬ — фирменное наименование установки; ИПТ — индукционная плавильная тигельная; 100 — номинальная мощность источника питания, кВт; 2,4 — рабочая частота, кГц; 0,05 — емкость печи по меди, т; Г — способ наклона печи (гидравлический); УХЛ4 — климатическое исполнение и категория размещения согласно ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 155431-89.

Основные технические характеристики индукционной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4» с плавильным тиглем приведены в табл. 3. Производительность плавильной установки определяется особенностями технологии плавки металла, а также интенсивностью загрузки индукционной печи.

Таблица 3. Основные технические характеристики индукционной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Технические характеристики

Величина

Напряжение,В/частота, Гц питающей сети

3×380 (±10%)/50(60)

Номинальная мощность ППЧ, кВт

100

Диапазон регулирования мощности, кВт

10–100

Выходное напряжение (номинальное), В

200…(900)…1000

Частота напряжения на выходе (номинальная), кГц

2,0…(2,4)…2,4

Давление охлаждающей воды, кгс/см2

2–4

Емкость тигля, по меди (по золоту), кг

50 (110)

Длина токопроводов, м

2

Срок службы, годы

8

Срок сохраняемости, годы

1

Время плавки, мин

60–90

Допустимая температура перегрева металла, °С

1600

Номинальный расход охлаждающей воды, м3

  преобразователя частоты с блоком компенсации

2,8

  станции охлаждения (техническая вода)

5

  индуктора печи (техническая вода)

2

На рис. 3 показан состав индукционной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4» для плавки золота. В нее входят индукционная плавильная печь «ПАРАЛЛЕЛЬ ПИТ-0,05», преобразователь частоты «ПАРАЛЛЕЛЬ ППЧ-100-2,4», блок компенсации «ПАРАЛЛЕЛЬ БК-100-2,4», двухконтурная станция охлаждения «ПАРАЛЛЕЛЬ СО-40», гидропривод и пульт дистанционного управления (ПДУ) гидроприводом, пульт управления нагревом (ПУН) плавильной установки.

Состав индукционной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Рис. 3. Состав индукционной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Основные конструктивные единицы плавильной установки разработаны и изготовлены на предприятии «Параллель». Перечисленные компоненты объединены в нагревательную установку электрическими элементами из монтажных комплектов: токопроводами «ППЧ-БК» и «БК-Печь», токопроводами с водяным охлаждением, жгутами электрических соединений — «ППЧ-БК», «ПУН», «ППЧ-СО» и «ППЧ-Привод».

Подвод тока и охлаждающей воды от БК к индуктору печи осуществляется по гибким водоохлаждаемым токопроводам. БК, содержащий конденсаторы для компенсации реактивной мощности индуктора, соединен с выходом ППЧ медным водоохлаждаемым токопроводом.

Для охлаждения ППЧ и БК использована двухконтурная станция охлаждения «ПАРАЛЛЕЛЬ СО-40», значительно продлевающая срок службы установки. Индуктор охлаждается технической водой, поступающей от БК через водоохлаждаемые гибкие токопроводы.

Пульт управления нагревом плавильной установки (ПУН) находится у оператора. Управление установкой и контроль процесса плавки осуществляются с ПУН и ПДУ гидроприводом, а также ПУ ППЧ и ПУ станции охлаждения.

На ПУ преобразователя расположены кнопки включения и отключения питания силовой схемы, кнопка управления нагревом (НАГРЕВ ВКЛ/ВЫКЛ), регулятор выходного напряжения преобразователя, измерительные приборы и индикаторы системы контроля и диагностики. С ПУ станции охлаждения производится включение насоса контура чистой воды. На этой станции находятся индикаторы напряжения сети питания насоса, электромагнитного клапана и нормального уровня воды в расширительном баке, а также микропроцессорный измеритель-регулятор температуры воды.

При сливе расплавленного металла наклон индукционной печи обеспечивается гидроприводом. Чтобы было удобнее управлять наклоном, ПДУ находится в непосредственной близости от печи на рабочем месте оператора-плавильщика (литейщика). На ПДУ гидроприводом размещены кнопки включения и отключения насоса гидропривода, индикаторы сети питания насоса, а также рукоятка управления подъемом и опусканием индуктора при сливе металла.

Подвод сетевого питания к литейной установке производится через кабельный ввод в крыше ПЧ. Все электрические связи между составными частями обеспечиваются электрическими жгутами, подключаемыми через разъемы в цокольных частях шкафов.

Блок компенсации (БК) предназначен для компенсации реактивной мощности индукционной печи на рабочей частоте и для согласования преобразователя с нагрузкой, то есть для создания условий отдачи номинальной мощности от ПЧ к плавильной печи. Конденсаторы БК соединены по автоемкостной схеме, повышающей напряжение на индукторе печи, по отношению к выходному напряжению преобразователя, что позволяет снизить рабочий ток индуктора и потери в гибких токопроводах. БК выполнен в виде металлического шкафа, защищенного от воздействия внешней среды.

Электротермические конденсаторы общей реактивной мощностью 1400 кВАр и сборные трубчатые проводники охлаждаются водой «чистого» контура, поступающей от преобразователя по водоохлаждаемому токопроводу «ППЧ-БК». Кроме того, в БК подается техническая вода для охлаждения печи по гибким водоохлаждаемым токопроводам.

Входное давление и температура технической воды на выходе из индуктора контролируются реле давления и датчиком температуры. В случае падения давления ниже 1,5 кгс/см2 или превышения температуры 60 °С разрывается электрическая цепь «Блокировка установки», что приводит к отключению преобразователя и загоранию соответствующих индикаторов на ПУН и ПУ преобразователя.

Питание составных частей установки осуществляется раздельно. ППЧ не может быть включен при неработающей СО. Гидропривод печи может быть включен и отключен независимо от работы преобразователя и станции охлаждения, что позволяет опробовать работу гидропривода и разливать металл при отключенном преобразователе.

При автоматическом контроле температуры воды, охлаждающей установку, с помощью электромагнитного клапана происходит отключение воды, потребляемой из внешней системы водоснабжения в те периоды, когда в установке выделяется небольшое количество тепла или оно отсутствует. Плавильная установка потребляет из водопроводной сети столько воды, сколько необходимо для поддержания нормального температурного режима литейной установки. Такое управление потреблением охлаждающей воды исключает чрезмерное охлаждение и выпадение росы на элементах силовой схемы, что повышает надежность работы установки [6].

Контрольные приборы, а также светодиодные и ламповые индикаторы установлены на пульте управления преобразователя, ПУН и ПДУ гидропривода, а также внутри ППЧ на лицевых панелях ячеек блока управления и контроля. Они предназначены для индикации режимов работы установки, диагностики ее состояния и неисправностей.

Светодиоды на лицевой панели ПУН индицируют наличие сетевого напряжения (СЕТЬ), состояние внешней цепи по отношению к преобразователю блокировки БК (БЛОКИРОВКА), включение контактора (КОНТАКТОР), неисправность охлаждения (ОХЛАЖДЕНИЕ) и срабатывание электронной защиты преобразователя (ЗАЩИТА).

Регистрирующий вольтметр на ПУН как индикатор напряжения, подаваемого от ППЧ на печь (БК), показывает выходное напряжение ППЧ в масштабе 0–10 В, что соответствует уровню выходной мощности 0–100%.

На панели ПУН расположены индикатор напряжения печи, кнопка НАГРЕВ и регулятор ЗАДАНИЕ, с помощью которых изменяется напряжение на индукторе плавильной печи. В лицевую панель ПУН встроена сирена, подающая звуковой сигнал в случае регистрации неисправности установки, который дублируется световыми сигналами маяка.

 

Управление индукционной плавильной установкой

На рис. 4 представлена индукционная установка для плавки золота «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4», состав которой соответствует приведенному на рис. 3.

Индукционная установка для плавки золота «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Рис. 4. Индукционная установка для плавки золота «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4»

Установка индукционного нагрева комплектуется несколькими пультами управления, что позволяет обеспечить технологию плавки металла в индукционной плавильной печи. Пульт управления может быть встроен в установку или удален от нее на необходимое расстояние. Имеется возможность подключения пульта внешнего управления.

Включение и управление плавильной установкой во время плавки осуществляется кнопкой ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВКЛ на ПУН или кнопкой КОНТАКТОР ВКЛ на ПУ преобразователя, который необходимо предварительно включить в режим ОЖИДАНИЕ. В этом режиме на ПУН включен индикатор СЕТЬ, на ПУ — КОНТАКТОР ВКЛ. Силовая схема преобразователя находится под напряжением и готова к плавке [7].

Регуляторы ЗАДАНИЕ ПУ и ЗАДАНИЕ на ПУН перед включением необходимо установить в положение минимума мощности. Затем нужно нажать на кнопку НАГРЕВ на ПУ ППЧ и НАГРЕВ на ПУН. При этом загорятся индикаторы на кнопках НАГРЕВ, а индикаторы выходного напряжения на ПУ и на ПУН покажут сигнал, соответствующий выходному напряжению. Для регулирования мощности нагрева используют задатчик ПУ либо ПУН. Его выбор определяется переключателем ЗАДАНИЕ ВНУТР/ВНЕШН на лицевой панели ячейки автоматики блока управления и контроля внутри преобразователя. Литейная установка переходит в требуемый режим при подготовке ПЧ к работе.

При регулировании электрического режима следует иметь в виду, что напряжение на индукторе поддерживается автоматически. При этом мощность ПЧ (ток выпрямителя) определяется загрузкой индуктора металлом и его температурой. Номинальная мощность достигается при определенной загрузке индуктора. Если объем металла в индукторе слишком мал или велик, мощность отличается от необходимой, но запрещается превышение током выпрямителя ПЧ величины 210 А. Включение нагрева при пустом индукторе на токе выпрямителя свыше 80 А не рекомендуется, так как это может привести к перегреву индуктора и токопроводов.

Задатчик, контролирующий по амперметру ток выпрямителя и по индикатору сигнал выходного напряжения инвертора, устанавливает требуемый технологией электрический режим. В процессе плавки интенсивность нагрева корректирует оператор. Режимы работы и отключения плавильной установки отображаются на алфавитно-цифровом дисплее пульта управления преобразователем.

 

Особенности эксплуатации плавильного комплекса

Установка ИНТ-100-2,4 рассчитана на эксплуатацию в закрытом помещении в климатических условиях, соответствующих группе условий М6 ГОСТ 17516-72. На месте эксплуатации достаточно иметь трехфазную сеть напряжением 380 В и трубы для подачи и слива охлаждающей воды. Электрический КПД преобразователя частоты литейной установки должен быть не менее 0,95. Охлаждение осуществляется двухконтурной станцией охлаждения, давление охлаждающей воды составляет 2–4 кгс/см2, ее расход — 1,5 м3/ч.

В процессе плавки необходимо следить за осадкой шихты, добавляя шихтовые материалы. При выполнении ручных операций с шихтой и расплавом необходимо снизить выходное напряжение до 30% или выключить нагрев. В связи с риском выброса расплава запрещается загрузка в печь материалов, содержащих влагу, масло и т. п.

Перед отключением нагрева, разливки металла или плавильной установки следует кнопкой НАГРЕВ ПУН или кнопкой НАГРЕВ ПУ отключить ПЧ, а затем включить насос гидропривода и приступить к разливке металла. Металл выливается в промежуточный тигель (ковш) или формы, предварительно высушенные и подогретые.

Преобразователь отключается кнопкой ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫКЛ на ПУН или кнопкой КОНТАКТОР ВЫКЛ на ПУ. Затем необходимо отключить насос станции охлаждения. Полное отключение охлаждения индуктора можно производить лишь при полном остывании футеровки печи (ниже 50 °С). Несоблюдение этого требования приводит к повреждению печи. После окончания плавки нужно отключить преобразователь, охладить тигель, отключить воду внешнего контура и обесточить установку внешним рубильником. В случае отсутствия воды в индукторе, до того как остынет тигль, необходимо подключить индуктор к блоку аварийного охлаждения вместимостью 2 м3, который устанавливается на 2 м выше индуктора.

Самопроизвольное отключение установки может быть вызвано неисправностью в электрической части системы охлаждения. При отключении плавильной установки по индикаторам на ПУН и ПУ преобразователя следует установить его причину. Если горит индикатор ЗАЩИТА, то до прихода дежурного электрика не следует нажимать кнопки ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫКЛ на ПУН или КОНТАКТОР ВЫКЛ на ПУ, поскольку это приведет к сбросу показаний индикаторов системы диагностики неисправностей преобразователя.

Среднее время плавки в индукционной печи составляет около 1 ч. Индукционная печь предназначена для периодического и непрерывного режимов работы. Частые длительные перерывы в работе отрицательно сказываются на состоянии тигля, сокращая срок его службы.

При остановке печи на время, не превышающее 1 ч, рекомендуется оставлять в тигле 20–25% расплавленного металла. При этом подачу охлаждающей воды нужно снизить до минимума. Во избежание растрескивания тигеля его следует укрыть листом из огне­упорного материала. При остановке печи на время свыше 1 ч расплавленный металл необходимо полностью слить. При этом подачу охлаждающей воды надо снизить до минимума, температура воды на сливе из индуктора не должна превышать 50 °С.

Габариты шкафа ПЧ составляют 700×600×1353 мм, размеры индукционной печи — 800×920×925 мм. Индукционная литейная установка устанавливается в отдельном производственном помещении категории Г или Д по строительным нормам и правилам не ниже II степени огнестойкости. Участки плавки и разливки металла необходимо оборудовать приточно-вытяжной вентиляцией.

 

Заключение

Приведенная методика определяет основные технические параметры плавильных установок — рабочую частоту и мощность транзисторных и тиристорных ПЧ, разработанных предприятием «Параллель».

В составе индукционной плавильной установки «ПАРАЛЛЕЛЬ ИПТ-100-2,4» для плавки металлов, в частности золота, используется полупроводниковый преобразователь частоты на IGBT-модулях — «ПАРАЛЛЕЛЬ ППЧ-100-2,4» совместно со станцией охлаждения СО-20, блоком компенсирующих конденсаторов БК-100-2,4 и пультом управления нагревом.

Основные этапы работы плавильной установки — предпусковой контроль с диагностикой, регулирование выходной мощности и стабилизация технологического параметра по внешнему сигналу или по заданной программе регулятора — соответствуют современному уровню применения силового оборудования в индукционных установках ТВЧ.

Литература
  1. Сайт журнала «Силовая Электроника»
  2. prl.ru
  3. Зинин Ю., Мульменко М. Современные тиристорные преобразователи частоты типа «Параллель» для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2015. № 3.
  4. Зинин Ю., Мульменко М. Новые разработки силовых преобразователей типа «Параллель» для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2014. № 2.
  5. Зинин Ю., Иванов А., Мульменко М., Уржумсков А. Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева труб большого диаметра // Силовая электроника. 2014. № 6.
  6. Мульменко М., Зинин Ю., Мамаева Д. Разработка универсального блока управления и контроля для полупроводниковых преобразователей частоты // Силовая электроника. 2015. № 5.
  7. Зинин Ю., Мульменко М. Проектирование станций охлаждения для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2015. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *