Недостатки индукционных печей

Таким образом, в ДППТНП полностью реализованы возможности ИП, связанные с перемешиванием расплава и отсутствием локальных зон перегрева расплава, ранее сдерживающих во многих случаях использование ДСП. Технологические преимущества ДППТНП перед ИП очевидны и основные их них следующие.

ДППТНП позволяет использовать практически все классические методы обработки расплава, которые хорошо изучены и изложены в курсах теории металлургических процессов — дефосфорацию, десульфурацию, управляемое легирование, включая чугуна углеродом, дегазацию, управляемое насыщение металла газами, обезуглераживание, рафинирование, удаление из металла неметаллических включений, мощное диспергирование остающихся, рафинирование. Все процессы ведут с мощным и управляемым перемешиванием, обеспечивающим равномерное распределение по объему ванны расплава химсостава и температуры, высокую эффективную поверхность взаимодействия металла и горячего шлака. Ниже будут приведены таблицы с результатами исследования металла, выплавляемого в промышленных ДППТНП с характеристиками недостижимыми в ИП без использования специальных, как правило, дорогих и экологически вредных элементов. Но главным экономическим преимуществом ДППТНП является возможность выплавки любых марок стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов с использованием не дорогих, чистых, специально подготовленных материалов для плавки в ИП, а рядовой шихты.

Способы загрузки шихты в ИП и ДППТНП отличаются принципиально и в значительной мере влияют на безопасность работы, затраты на энергоресурсы, подготовку шихты, экологию. В ДППТНП объем печного пространства соответствует объему переплавляемой шихты. Обычно завалку печи ведут в один прием, и только при очень легковесной шихте проводят одну или несколько подзавалок, в период, когда в печи мало расплава.

Это позволяет не проводить специальной подготовки шихты, не вызывает опасений завалка влажной шихты с кусками льда, СОЖ, больших габаритов и ультралегковесной, т.е. не требуется затрат энергии на подогрев шихты, ее резку, прессование.

В отличие от ИП в ДППТНП печные газы внутри печи разогреты до высокой температуры, не разбавлены воздухом и при выходе из печного пространства самовоспламеняются. В ИП при наличии в шихте органических элементов, отходящие газы необходимо разогревать источниками энергии для их дожигания. При плавлении твердой шихты в ДППТНП атмосфера печи содержит большое количество возгонов органики и моноокиси углерода, защищающие металл от окисления, а расплав закрыт шлаком. В этих условиях, угар шихты значительно в 3-4 раза ниже угара шихты в ИП, в которых поверхность твердой шихты в процессе расплавления не защищена от взаимодействия с воздухом, а расплав не защищен шлаком. При плавке в ДППТНП многие окислы, ушедшие в шлак, восстанавливаются углеродом из металла или специально загруженным карбюризатором. В ИП эти процессы не идут.

При нагреве шихты в ДППТНП с поверхности, а не изнутри, как в ИП, в направлении градиента температуры из металла уходят газы, а неметаллические включения при стекании капель расплава через шлак, в основном, остаются в нем. Эти процессы, особенно при плавлении алюминиевых сплавов, способствуют глубокому удалению водорода из металла, когда как при плавлении в ИП, как и в печах других типов, алюминий водородом насыщается.

Производительность процесса плавки в печах определяется возможностями рационального введения энергии с высокой удельной мощностью. В ИП промышленной частоты мощность ограничена чрезмерным перемешиванием и составляет 300-360 кВт. В ИП средней частоты этот недостаток преодолен, и скорость плавления определяется только технико-экономическими показателями. В ДППТНП ограничение подведенной мощности также отсутствует, и мы задаем параметры источников электропитания обеспечивающих время расплавления черных металлов 35-45 минут и алюминиевых сплавов 15-20 минут.

Выше было отмечено, то, что более низкий уровень угара шихты в ДПППТНП, высокая температура отходящих из печи газов и высокая концентрация углеводородов в них обеспечивают меньшие затраты на пылегазоочистку в ДППТНП в сравнении с ИП. К тому же результату приводит отсутствие необходимости подогрева и резки шихты перед загрузкой в ДППТНП, в отличие от ИП, для которой, как правило, эти операции проводятся с использованием химического топлива. К большим загрязнениям окружающей среды ИП приводит использование фторо-хлоросодержащих элементов, редкоземельных и др. металлов и соединений которые необходимы для дегазации расплава при производстве алюминия, удаления серы при производстве чугуна внепечной обработки стали и сплавов. При производстве высококачественного металла в ДППТНП в использовании экзотических дорогостоящих технологических процедур и материалов необходимости нет.

Удаление вредных примесей ведется с использованием классических технологий, веками отработанных на металлургических агрегатах.

Экономические показатели печей  складываются из удельного расхода электроэнергии, в ДППТНП — графитированных электродов и шлакообразующих материалов. В ИП — флюсов, химических реагентов, инертного газа, чистых шихтовых материалов, затрат на подготовку шихты, очистку пылегазовыбросов и захоронения твердых отходов.

Эти показатели для ДППТНП приводятся на основе опыта эксплуатации дуговой печи постоянного тока емкостью 6 т при производстве марганцовистой стали и чугуна. Так в октябре 2001 г. при работе в две смены, с двумя выходными днями и частыми простоями печи (10 плавок в две смены со средним временем плавки менее 1 часа) удельный расход электроэнергии, определенный делением месячного расхода электроэнергии на произведенный жидкий металл составил менее 550 кВт.ч на тонну. В результате выпускался металл, практически не требующий дальнейшей доводки.

На ряде плавок марганцовистых сталей в «горячей» печи удельный расход энергии достигал 400 кВт.ч/т. Эти показатели значительно превышают показатели ИП средней частоты — 550-600 кВт.ч/т при непрерывной работе и в разы меньше расхода электроэнергии в ИП промышленной частоты, работающей в сопоставимых условиях — от 900 до 2500 кВт.ч/т. Затраты на графитированные электроды — 1,4 кг/т расплава эквивалентны по стоимости расходу электроэнергии 45-60 кВт.ч/т и перекрываются расходом энергии для подготовки, резки, нагрева шихты перед плавкой в ИП и на внепечную обработку.

Очевидно, что стоимость  шлакообразующих материалов для  ДППТНП — извести и шамотной крошки при производстве качественных металлов значительно ниже стоимости реагентов для ИП.

Для плавки в ДППТНП используется шихта «из вагонов» без особых ограничений в содержании серы, фосфора, размера кусков, загрязнений неметаллическими материалами, при плавке, которой угар металлической части лежит в пределах 0,5-1,5 %. Угар легирующих элементов при переплаве или выплавке высоколегированных марок стали, например, стали 110Г13Л практически отсутствует [2]. Качественные показатели выплавленных металлов будут приведены ниже. В ИП для производства марочного металла необходимо загружать шихту, качество которой, как правило, должно превышать качество выплавляемого металла. К шихте предъявляются особые требования по содержанию серы, фосфора, углерода, органических и неметаллических загрязнений, газов, размерам кусков, т.е. шихта для ИП, как правило, значительно дороже шихты для ДППТНП, а ее потери при плавлении и обработке выше.

Отходы производства, особенно при выплавке алюминиевых сплавов  в ИП содержат хлорофторосодежащие элементы и со шлаком теряется значительное количество переплавляемого металла. Этих недостатков практически лишены ДППТНП

Для плавления черных металлов пользуются индукционными  печами одного типа — индукционными тигельными печами. Сложность и высокая стоимость электрооборудования установок тигельных печей ограничивают область их применения.

В то же время индукционный нагрев и конструктивные особенности  тигельных печей позволяют выплавлять в них стали и сплавы, производство которых другими более дешевыми способами затруднено. В частности, по сравнению с дуговыми печами можно назвать следующие основные преимущества индукционных тигельных печей:

• Передача энергии с помощью электромагнитного поля исключает загрязнение металла материалом электродов. Это позволяет легко выплавлять в индукционных печах безуглеродистые стали и сплавы, производство которых в дуговых печах затруднено из-за науглероживающего действия электродов.
• Отсутствие концентрированного источника тепла над металлом обеспечивает малую скорость поглощения металлом азота и водорода из атмосферы, а также незначительный угар легирующих элементов
• Естественное перемешивание жидкого металла под действием электромагнитных сил способствует выравниванию температуры и химического состава металла и ускоряет протекание металлургических процессов.
• Процесс легко поддается регулированию температурного режима.
• Высокая производительность индукционных печей позволяет выдавать плавки через короткое время сравнительно небольшими порциями.
• индукционная печь отличается небольшими габаритами. Все это позволяет организовать поток металла для массового литья на небольшой рабочей площади и при небольшом числе литейного оборудования.
• При работе индукционных печей значительно ниже уровень шума, меньше выделяется дыма, меньше тепловое излучение. Это создает для сталеваров индукционных печей более благоприятные условия работы, чем при обслуживании дуговых печей.

Однако, помимо высокой стоимости  электрооборудования, индукционным печам  как сталеплавильным агрегатам  свойственны недостатки, которые  в основном заключаются в следующем:

• Нагрев шлака в них происходит главным образом за счет тепла, выделяющегося в металле. Поэтому температура шлака ниже.
• Температуры металла, и холодные вязкие шлаки затрудняют удаление из металла фосфора и серы.
• Рассеивание магнитного потока в зазоре между индуктором й металлом вынуждает уменьшать толщину футеровки тигля. Малая же толщина футеровки и трудность ремонта вертикальных стенок тигля служат причиной низкой стойкости футеровки.

Эти недостатки ограничивают применение индукционных печей для  того, что бы массово производить  сталь. В этих печах целесообразно  выплавлять лишь стали и сплавы специальных  марок, которые невозможно или неэкономично (вследствие трудностей технологии) плавить  в других агрегатах, а также стали  и сплавы, высокая стоимость которых  позволяет пренебречь большими затратами  на электрооборудование и электроэнергию (когда экономия от уменьшения угара  ценных легирующих элементов компенсирует увеличение капитальных затрат и  энергетических ресурсов).

В силу указанных причин на металлургических заводах индукционные печи находят ограниченное применение для производства особо низкоуглеродистых  сталей и сплавов. В последнее  время их все шире используют для  плавления металла в вакууме  или в атмосфере инертных газов. За рубежом крупные (до 60 т) печи этого  типа используют как накопители чугуна (миксеры). Наибольшее распространение  индукционные печи получили в цехах  фасонного и мелкого стального  литья.