Недостатки индукционных печей

7. Индукционные  печи.

В индукционных тигельных  печах расплав находится внутри водоохлаждаемого индуктора и изолирован от него футерованным тиглем. В индукционных канальных печах расплав находится  в тигле и нагревается в  футерованных каналах внутри водоохлаждаемых  индукционных катушек. При разрушении достаточно тонкой футеровки всегда есть возможность попадания воды под расплав. В этом случае происходит интенсивный выброс расплава из печи или взрыв.   

       Фирмы, производящие индукционные печи (ИП), разработали специальные устройства сигнализации для предотвращения аварий, но все-таки возможность возникновения аварий изначально заложена в принципе устройства печей.

Негативные последствия  возрастают с увеличением емкости  печей, и при попытках освоить "горячие" шлаковые процессы, всегда способствующие разъеданию футеровки.

Вторым источником опасности  эксплуатации ИП является необходимость  загрузки основной части шихты в  расплав. Это вызвано тем, что  в ИП объем печного пространства близок к объему расплава в конце  плавки, а плотность шихты в  несколько раз ниже плотности  расплава. Попадание влажной шихты, кусков льда, емкостей, заполненных  жидкостью, в расплав может быть также причиной взрыва. Проблема решается надежно за счет использования дополнительного  оборудования, как правило, термического, для нагрева шихты перед плавкой  в ИП, но принципиальная возможность  аварий сохраняется. Поэтому индукционные печи (ИП) взрывоопасны по своему базовому принципу и, несмотря на это, получили развитие в результате возможности  плавления и выдержки в них  широкой гаммы металлов и сплавов, в условиях отсутствия альтернативного  оборудования.

В настоящее время производство индукционных печей является основой  производства ведущих зарубежных и  отечественных фирм, вокруг них сложились  научные коллективы. Разработано  и внедрено в промышленность множество  технологий, с учетом их использования  разработано специальное литейное оборудование, вложены большие средства в их совершенствование. Конкуренция  мощных производителей ИП друг с другом побуждает затрачивать большие  средства на рекламу и формирование общественного мнения. Внедрена привычка к опасной среде существования  при эксплуатации ИП.

На этом фоне очень важно  разрабатывать и осваивать альтернативное, принципиально безопасное оборудование, которое не уступает ИП и лучше, если превосходит его. Если есть принципиальная возможность тяжелых последствий  процессов и явлений, то надо от них  уходить. Тем более что индукционные печи имеют очень серьезные недостатки, связанные с технико-экономическими показателями.

Являясь технологически пассивными, в ИП невозможно проводить практически  все технологические процедуры  металлургических процессов. ИП могут  с некоторым ухудшением свойств  исходной шихты сплавлять или  переплавлять металл. Качество конечного  металла целиком зависит от качества исходного сырья. Это касается химического  состава шихты. Плавка не допускает  загрязненности органическими соединениями, влажной шихты. Для относительно безопасной эксплуатации ИП должны применяться  совершенные специально созданные  огнеупорные материалы, строго соблюдаться  правила футеровки и эксплуатации. В развитых странах создана специальная  промышленная система шихтоподготовки  и производства качественных огнеупоров, которая в известной мере отсутствует  в России. В процессе подготовки шихты применяется строгая сортировка лома, его обработка моющими составами  или термическая обработка, далеко экологически небезвредная и требующая  значительных затрат. Во многих случаях  производятся паспортные заготовки  для переплава на ИП на других типах  плавильных печей.

Другим направлением является технологическая внешняя обработка  расплава из ИП, с целью очистки  его от вредных примесей и рафинирования. Под эти процессы создано множество  оборудования и материалов, как правило, дорогих, наносящих вред окружающей среде. Поэтому приводить технико-экономические  показатели ИП следует с учетом всех приведенных и др. факторов, в  которых, необходимо учитывать стоимость  сырья для плавки, затраты на его  подготовку к плавке и затраты  на внепечную обработку.

Энергетические затраты  ИП промышленной и повышенной частоты  на фоне других не имеют большого значения, но созданный в СССР парк индукционных печей промышленной частоты, предназначенный  для массового производства, в  рыночных условиях из-за отсутствия загрузки начал простаивать. Непрерывное  поддержание "болота" из-за длительных простоев производства привело к  очень значительному 1500-2500 кВт·ч/т  удельному расходу электроэнергии, например, при производстве чугуна. Замена на индукционные печи повышенной частоты ликвидирует этот недостаток, однако при выборе нового оборудования следует обращать внимание на другие альтернативные возможности.

При расчете затрат на основные фонды следует обращать внимание не только на собственно стоимость  печей, но и на стоимость оборудования для шихтоподготовки, вспомогательных  материалов, оборудования для внепечной  обработки и системы водоохлаждения, затраты на экологию, особенно при  организации производства до и после  плавки. Но главное - следует сделать  свое производство безопасным.

В литейных цехах работает большое  количество индукционно-тигельных  печей малой емкости 0,1-0,25 т  разной частоты, к основным недостаткам которых следует отнести принципиальную взрывоопасность и технологическую пассивность.

Небольшой объем производства позволяет  подбирать высококачественную шихту, обеспечивая высокое качество отливок  и допустимое воздействие на окружающую среду. Другая ситуация складывается при  эксплуатации печей большей емкости, в которых для нагрева металла  и его миксирования используют токи промышленной и средней частоты.

Плавка, при которой вокруг или  под металлом расположены водоохлаждаемые  элементы, изолированные от расплава тонким слоем футеровки является принципиально взрывоопасной при  любой, даже очень сложной защите. С ростом емкости печей  тяжесть последствий аварий возрастает.

Индукционные печи технологически пассивны, поэтому качественный металл можно получить только из высококачественной шихты. Освоение индукционных печей  средней частоты не устраняет  главных недостатков индукционного  нагрева. На определенном этапе развития металлургии индукционным печам  не было альтернативы, чем можно  было оправдать их создание. При  появлении альтернативного оборудования применение индукционных печей особенно большой емкости  с точки зрения промышленной безопасности  и технологической перспективности является  следствием инерционности мышления и привыкания к опасной среде обитания, усиленных развернутым их производством во многих странах мира и широкой рекламы.

Дуговые печи переменного тока (ДСП) не имеют главных недостатков  индукционных печей. Они взрывобезопасны  и технологически активны. Однако их эксплуатация сопровождается наличием очень серьезных негативных факторов, в том числе, послужившим причиной развития индукционных  плавильных печей. К ним относятся: высокий угар металла, обильные пылегазовыбросы, практическое отсутствие перемешивания расплава, большой угар дорогостоящих графитированных электродов, значительные локальные перегревы расплава, его науглераживание от электродов, интенсивный шум, резкопеременный характер нагрузок на системы электроснабжения, высокий расход электроэнергии, наличие вредных составляющих в отходящих газах.

Сумма недостатков ДСП определяет их низкую рентабельность, себестоимость  металлургического передела в ДСП  резко возрастает после выполнения требований экологов и питающих энергосистем. Установка мощных систем пылегазоочистки, шумозащиты, фильтрокомпенсирующих  устройств, статических тиристорных  компенсаторов для устранения фликера  сопровождается  значительным увеличением стоимости основных фондов и последующих затрат на эксплуатацию оборудования, которые никаким образом не компенсируются экономически.

В тоже время ДСП являются практически  единственным оборудованием для  производства высококачественного  металла из шихты любого качества и для многих сплавов незаменимы.

С целью улучшения параметров дугового нагрева в мире стали широко внедрять дуговые печи постоянного тока.

Они широко применяются в металлургическом производстве за рубежом, не проявляя значительных преимуществ перед  дуговыми печами переменного тока. Это совершенно объективный факт, поскольку, кроме применения дуги постоянного  тока, другие изменения в печи не введены.

Дуговые печи постоянного тока нового поколения (ДППТНП) разработаны специалистами  Научно-технической фирмы "ЭКТА" в содружестве с рядом ведущих  организаций России. Новые печи, электротехнологические процессы в  них запатентованы и не имеют  мировых аналогов по технико-экономическим  и экологическим параметрам при  производстве стали, чугуна, сплавов  на основе алюминия, никеля, кобальта, меди.

Анализ качества металла выплавляемого  на всех ДППТНП, введенных в промышленное производство, указывает на очень  высокий уровень показателей  даже при использовании шихты  невысокого качества. Этому способствует возможность проведения на ДППТНП при   расплавлении шихты, нагреве расплава и его рафинировании практически всех металлургических операций известных из теории металлургических процессов и малоизвестных, связанных со специально организованным взаимодействием электрической дуги и переплавляемым металлом.

В отличие от индукционных печей:

• В ДППТУ-НП  освоено производство различных марок стали, в том числе углеродистых, высоколегированных, инструментальных, штамповых, азотосодержащих, конструкционных и других  сплавов ответственного назначения; ряд из которых можно выплавить только в ДППТУ-НП.  
• В России, как и во всем мире мало, высококачественной шихты и она дорогая.
• В ДППТУ-НП можно производить высококачественные сплавы из любой рядовой дешевой
• шихты. 
• Требуемые высокие показатели качества металлов достигаются путем проведения активных металлургических процессов: шлаковой обработки,  рудного и кислородного кипа, легирования, рафинирования и других, которые в индукционных печах неосуществимы. 
•  В ДППТУ-НП применяют любые традиционные футеровочные материалы, производство которых освоено в России многими предприятиями. 
• ДППТУ-НП надежны, ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫ, технологически универсальны, позволяют проводить разовую и с подзавалками загрузку шихты, осуществлять полный или частичный слив металла. В них легко перейти с одной марки стали на другую, работать в одну, две или три смены. 
•  ДППТУ-НП позволяют обеспечить высокие показатели КАЧЕСТВА металла, трудно достигаемые на других типах печей.  
• Технология производства стали в ДППТУ-НП не предполагает термическую или другую подготовку шихты перед плавкой и внепечную обработку расплава. Это обеспечивает экологические преимущества. 
• При переплаве отходов собственного производства сохраняются практически все легирующие элементы. 
• В ДППТУ-НП удельный расход электроэнергии всегда существенно ниже. 
• Опыт промышленной эксплуатации ДППТУ-НП и индукционных печей показали, что невозможно, за редкими исключениями, обосновать целесообразность использования ИП для плавки стали при наличии оборудования и технологий ДППТУ-НП.

Индукционные плавильные печи (ИП) и миксеры долгое время по целому ряду показателей не имели конкурентоспособных аналогов среди других типов печей, включая ДСП, и получили широкое развитие, несмотря на наличие явных, очень серьезных недостатков.

Главным из недостатков ИП является принципиальная их взрывоопасность. В них металл плавится внутри водоохлаждаемой емкости, стенки которой отделены от расплава тонким слоем футеровки. В процессе работы всегда существует принципиальная возможность взрыва, поэтому развивать и эксплуатировать, очевидно, опасное оборудование допустимо только в случае острой необходимости, определяемой отсутствием технологических и прочих возможностей ИП у других взывобезопасных типов печей. В том случае, если эксплуатационные и технологические характеристики других, взрывобезопасных печей, приближаются к характеристикам ИП, основным критерием выбора должна быть охрана труда.

Другим серьезным недостатком  ИП является их технологическая пассивность, связанная с отсутствием возможности работы с горячими шлаками, ведения окислительного процесса, широкого выбора материалов футеровки определяемых не безопасностью эксплуатации, а требованиями технологического процесса.

К существенным недостаткам ИП следует отнести необходимость множества подзавалок шихты в расплав. В печах промышленной частоты плавки ведут с «болотом» и не допускается полный слив расплава, в ИП средней частоты полный слив проводится, однако в «сухую» печь загружается только первая порция шихты, а остальные материалы загружаются в расплав. Это вызвано тем, что плавильный объем ИП приблизительно равен объему расплава по окончании плавки, а объем шихты обычно на порядок больше объема расплава.

Проведем сравнение ДППТНП и ИП, учитывая, в том числе перечисленные выше недостатки.

В ДППТНП расплав находится внутри стального, неохлаждаемого кожуха, футерованного изнутри толстым слоем огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Для подвода тока к шихте, в подине печи установлены подовые электроды, каналы водяного охлаждения которых вынесены за пределы кожуха, а внутри тела подовых электродов установлены датчики температуры [6]. Первое обеспечивает полностью взрывобезопасность печи, а второе защищает футеровку и подовые электроды от разрушения. Как и в ДСП, футеровка подины допускает горячие ремонты, ведение активных шлаковых и окислительных процессов при отсутствии специальных требований к футеровочным материалам, выбираемых только на основе требований технологов. Ресурс подины при плавке стали и чугуна до 3-5 лет, алюминиевых сплавов свыше 15 лет [3].

Технологические возможности  ДППТНП в отличие от ИП позволяют вести все процессы, применяемые в ДСП, но в отличии от последних гораздо эффективнее. Это обеспечивается режимами плавления шихты и нагрева расплава без локального перегрева металла дугой [4] и активным разработанным впервые новым типом МГД перемешивания расплава металла и шлака [4,5].