Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов : теория и технология выплавки стали в индукционных печах


№ 3135





                       МИСиС




                              Национальный исследовательский технологический университет



А.Е. Семин
Н.К. Турсунов
К.Л. Косырев



ИННОВАЦИОННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
И СПЛАВОВ

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ
В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

Учебное пособие

№ 3135     МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

  ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

  Кафедра металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов


            А.Е. Семин
            Н.К.Турсунов
            К.Л. Косырев




                Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов




  Теория и технология выплавки стали в индукционных печах

  Учебное пособие



   Рекомендовано редакционно-издательским советом университета




МИСиС


Москва 2017

УДК 669.18 сзо

Рецензент
д-р техн. наук, проф. Г.А. Фарнасов



     Семин А.Е.
СЗО Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов : теория и технология выплавки стали в индукционных печах : учеб. пособие / А.Е. Семин, Н.К. Турсунов, К.Л. Косы-рев. - М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. - 166 с.


         ISBN 978-5-906846-92-1


         В учебном пособии изложены физические основы принципа действия, теория и результаты реализации различных методов интенсификации процесса выплавки стали в индукционных печах. Рассмотрены электромагнитные явления и физические законы, лежащие в основе индукционного нагрева. Анализ условий работы позволил сформулировать методы расчета теплотехнически целесообразных размеров рабочего пространства, определения рациональных параметров электрического режима, выбора необходимого электрооборудования. Дан анализ энергетического баланса современных индукционных печей. Описано механическое и электрическое оборудование современных электропечей, особенности конструирования основных узлов печи и методы расчета индукционных печей. Показаны условия рациональной эксплуатации электропечей с оптимальнымитехнико-экономическими показателями. В пособии рассмотрены вопросы, связанные с футеровкой печей, составом масс и технологией изготовления основной нейтральной и кислой футеровки. Особое внимание уделено разработке инновационных технологий выплавки стали, которые позволяют работать без брака по фосфору и сере в индукционных печах. В разработанных технологиях произведен расчет дефосфорации и десульфурации стали шлаком, раскисления стали алюминием и расхода ферросплавов на легирование стали.
         Содержание учебного пособия соответствует программе части курса «Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов».
         Предназначено для подготовки магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия».

УДК 669.18





© А.Е. Семин,

ISBN 978-5-906846-92-1

                                                      Н.К. Турсунов, К.Л. Косырев, 2017


© НИТУ«МИСиС»,2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА....................8
  1.1. Принцип действия индукционных печей........................8
      1.1.1. Уравнения Максвелла..................................8
      1.1.2. Уравнение плоской поперечной электромагнитной волны.10
      1.1.3. Эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля.....................................13
  1.2. Выделение электромагнитной энергии в нагреваемом металле..16
      1.2.1. Электромагнитные явления и волны в индукторе ИТП.25
      1.2.2. Оценка электрических потерь в индукторе.............30
      1.2.3. Электромагнитное поле реального индуктора...........31
  1.3. Электромагнитные явления в футеровке тигля................34
  1.4. Полная мощность, электрический КПД, частота тока и коэффициент мощности системы индуктор-металл.................35
  1.5. Электродинамические явления в ИТП и управление движением жидкого металла................................................39
  Контрольные вопросы............................................46
2. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ...............47
  2.1. Индуктор и его система водяного охлаждения................47
  2.2. Футеровка.................................................50
      2.2.1. Условия службы футеровки............................51
      2.2.2. Основные и технологические требования к футеровке ИТП............................................52
      2.2.3. Техническая характеристика и классификация огнеупорных материалов.....................................57
      2.2.4. Срок службы и выбор материала футеровки ИТП.........60
      2.2.5. Технология изготовления футеровки ИТП...............63
      2.2.6. Сигнализатор износа футеровки.......................65
  2.3. Корпус печи...............................................66
  2.4. Механизм наклона печи.....................................67
  Контрольные вопросы............................................68
3. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ...........................................69
  3.1. Электрическая схема.......................................69
  3.2. Преобразователи частоты...................................72
  3.3. Конденсаторы..............................................76
  3.4. Правила безопасности при эксплуатации ИТП.................80
  Контрольные вопросы............................................80

3

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИТП............................81
  4.1. Определение рациональной толщины футеровки........81
     4.1.1. Определение мощности, выделяемой в металле...82
     4.1.2. Обоснование активной мощности, выделяемой в металле..82
     4.1.3. Определение КПД..............................83
  4.2. Определение энергетического баланса...............85
  Контрольные вопросы....................................88
5. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ
В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ.....................................89
  5.1. Требование к шихте и ее подготовке................89
  5.2. Подготовка печи к плавке..........................91
  5.3. Технология плавки, режимы рафинирования и доводки металла.93
  5.4. Расчет металлошихты..............................104
  Контрольные вопросы...................................106
6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ...................107
  6.1 Рафинирование стали с использованием твердых шлаковых смесей...............................107
  6.2. Возможные методы нагрева шлака...................116
  6.3. Технологические схемы производства стали.........119
     6.3.1. Традиционная технология выплавки стали......119
     6.3.2. Альтернативные технологические схемы выплавки стали 20ГЛ................................121
  6.4. Способыулучшениятехнико-экономическихпоказателей..........148
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................150
ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................153

4

        ВВЕДЕНИЕ


   При производстве стали формируют ее структуру и свойства, следовательно, качество и работоспособность изделий. Обеспечить конкурентоспособность продукции возможно только за счет использования прогрессивных технологических процессов, оборудования, эффективных методов контроля и управления качеством, начиная непосредственно с литейного производства.
   В 1831 г. английским ученым Майклом Фарадеем был открыт закон электромагнитной индукции . Джоуль и Ленц установили, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла. Леон Фуко подробно исследовал частный случай этого явления, а именно, наведение тока в сплошных металлических средах. В середине XIX в. англичанин Джеймс Максвелл получил основополагающие уравнения электромагнитного поля, носящие его имя, и построил систему современной электродинамики. В 1880-х годах У. Томсон открыл и исследовал поверхностный эффект, заключающийся в том, что переменный ток затухает от поверхности проводника.
   Промышленное использование электрической энергии для плавки и нагрева металлов и сплавов началось лишь спустя много лет, так как для этого необходимо было соответствующее развитие электротехники, а также энергетического хозяйства.
   Индукционные тигельные печи (ИТП) предназначены для расплавления и нагрева металла. Они находят широкое применение в литейных цехах металлургических заводов. Также такие печи применяют в цехах точного стального литья и ремонтных цехах машиностроительных заводов для получения стальных отливок высокого качества. Индукционные тигельные печи нашли широкое применение при выплавке стали в цехах мелкого литья.
   По характеру рабочей среды ИТП можно разделить на открытые, вакуумные и работающие в газовой среде заданного состава.
   Для уменьшения электрических потерь у печей небольшой вместимости основные детали корпуса изготавливают из неэлектропроводных материалов. Возможно также удаление металлических узлов корпуса на большее расстояние от индуктора, в область более слабого электромагнитного поля.
   Однако такое конструктивное решение приводит к резкому увеличению габаритов печи и потому приемлемо лишь для печей малой —
* По имени английского физика Дж.П. Джоуля (J.P. Joule, 1818-1889) и русского физика Э.Х. Ленца (1804-1865).

5

вместимости. У печей большей вместимости узлы несущей металлоконструкции защищают от внешнего электромагнитного поля индуктора магнитопроводом в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удельным электрическим сопротивлением (УЭС) для снижения электрических потерь.
   Поэтому различают ИТП:
   -  неэкранированные;
   -  с магнитопроводом;
   -  с электромагнитным экраном.
   По частоте питающего тока ИТП классифицируют:
   -  высокочастотные более 10кГц;
   -    на средней частоте 500...10 000 Гц с питанием от вентильных или машинных преобразователей частоты;
   -  работающие на промышленной частоте.
   Основными преимуществами ИТП являются:
   -    выделение энергии непосредственно в металле, без промежуточных нагревательных элементов;
   -    интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
   -    угар легирующих элементов, присутствующих в шихте и ферросплавах, незначительный;
   -  нет науглероживания металла от графитированных электродов;
   -    высокая вязкость шлаков, их малая жидкоподвижность способствуют защите металла от проникновения газов (водорода и азота) из атмосферы;
   -    отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля);
   -    принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении;
   -    высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;
   -    относительно малая масса футеровки печи создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой, что делает плавильные печи этого типа

6

исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности, для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов;
   -    печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую;
   - компактность печи;
   -    простота и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;
   -    высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздуха. При плавке в ИТП на ~ 15 % меньше пыли, чем в дуговых печах, а уровень шума не превышает 70... 85 дБ.
   Недостатками эксплуатации ИТП являются:
   -    наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей;
   - сложное и дорогое электрооборудование;
   -    низкая стойкость футеровки при высоких температурах расплава, резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля (при полном сливе металла) и эрозионного действия жидкого металла при электродинамических явлениях.
   Для плавки стали в ИТП требуется относительно чистая по сере и фосфору шихта. Выплавку ведут чаще всего методом переплава. Состав шихты после расплавления должен обеспечивать содержание всех элементов, близкое к заданному составу в готовом металле. В этих печах выплавляют все марки сталей, в том числе легированные и высоколегированные с практически полным сохранением дефицитных дорогостоящих легирующих элементов (никель, молибден, вольфрам и др.). Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов в целях снижения угара элементов.
   Преимущества ИТП перед другими плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности. Поэтому возникает задача математического описания сложного принципа действия ИТП, выбора рациональных геометрических, электрических параметров, оптимизация конструкции, интенсификация технологического процесса плавки.

7

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА


1.1. Принцип действия индукционных печей


1.1.1. Уравнения Максвелла
   Принцип индукционного* нагрева заключается в преобразовании энергии электро-магнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.
   В ИТП (рис. 1.1) электромагнитное поле создают цилиндрическим индуктором 3. Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое I уравнением Максвелла** (табл. 1.1).


Рис. 1.1. Схема устройства ИТП: 1 - механизм подъема и поворота свода; 2 - огнеупорный тигель; 3 - индуктор; 4 - металл; 5 -ферромагнитный экран; 6 - кожух; 7 - сигнализатор состояния футеровки тигля; 8 - механизм наклона; стрелки условно показывают электродинамические движения жидкого металла

* Индукционный (от лат. indutico - наведение, возбуждение) - основанный на явлении электромагнитной индукции.

** Дж.К. Максвелл (J.C. Maxwell, 1831-1879) - английский физик, создатель классической макроскопической электродинамики.

8

Таблица 1.1

Уравнения электромагнитного поля для металла

  Форма записи    I уравнение Максвелла     II уравнение Максвелла     
                                              дв      дв      .       
Дифференциальная rotH = J         (1.1а) rOtE = ~£ = ^ абс      (1-2а)
                                         Г Ed/ = --d-E BdS            
Интегральная     Г Hdl = tfs JdS (1.1б)  Jl              дт JJS (1.2б)

Примечание. Основные условные обозначения приведены в прил. 1, табл. П1.1.

   Возникающее магнитное поле имеет вихревой характер, что характеризует

divH = 0.                       (1.3)

   Ротор вектора напряженности магнитного поля формально описывают как векторное произведение оператора Гамильтона (набла- V) на вектор напряженности магнитного поля:
rotH = [VH],                    (1.4а)
которое можно решить через определитель

       1х 1у 1z                             
        д д д   д         д         д       
[VH] = - - -    = 1г --- Н + 1v---Н + 17---Н
       дх ду dz         х ду z у дz х z дх у
       Нх Ну Hz                             

-1ZT-HX-1V^-HZ-1X^-HV.                (1.4б)
z ду х у дх z х dz у                 .   ’




   Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданный индуктором, пронизывает нагреваемый металл цилиндрическим объемом диаметром DM и индуктирует электрическое поле. Это второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое II уравнением Максвелла (см. табл. 1.1). Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в расплавляемом металле носит вихревой характер, что характеризует
divE = 0.                       (1.5)


9

   Ротор вектора напряженности электрического поля формально описывают как векторное произведение оператора Гамильтона на вектор напряженности электрического поля:
rotE = [VE],                      (1.6а)

которое можно решить через определитель         
1% ly lz                                        
[VE] = у-         = 1x-^Ez + 1y^Ex + 1z-^Ey-    
L        дх dy dz     х dy z    y dz x    z dx y
Ex Ey Ez                                        
-Izd^Ex-lyd^Ez-lxd^Ey.            (1.6б)        

   Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи)
/ = Е/р,                       (1.7)
где р - удельное электрическое сопротивление (прил.1, табл. П1.1).* **^
   В нагреваемом металле энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Это третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывает закон Джоуля -Ленца, характеризуемое интенсивностью объемной теплогенерации
qv=/E = p/²=E²/p.                   (1.8)

1.1.2. Уравнение плоской поперечной электромагнитной волны
   Для определения векторов напряженности индуктируемых магнитных и электрических полей можно составить и решить систему уравнений (см. табл. 1.1).
   На основе уравнений (1.1а) и (1.7) можно определить
E = р ■ rotH.                  (1.9)

* Вихревые токи, или токи Фуко (J.B.L. Foucault - французский физик, механик и астроном) - вихревой индукционный объемный электрический ток, возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

** Основные условные обозначения приведены в прил. 1, табл. П1.1.

10

   Подставив выражение (1.9) во II уравнение Максвелла (1.2а), можно получить
rot(p ■ rotH) = —/оцабсН = p(rotrotH).     (1.Ю)
   Из векторной алгебры известно, что
rotrotH = graddivH — V²H,            (1.11)
где V²H - оператор Лапласа (векторный лапласиан), характеризующий пространственное изменение индуктируемого магнитного поля H в виде волны (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Распространение электромагнитнойволны

   Оператор Лапласа можно получить из выражения (1.11) с учетом (1.3)и(1.10):
V²H = /шщ..///р = а²Н,                 (1.12)
где о - циклическая частота; а - коэффициент, характеризующий ослабление электромагнитного поля.
   Подставив значение вектора H из уравнения (1.2а) в уравнение (1.1а) с учетом (1.7), можно получить выражение
rot(—rotE//opₐ₆c⁾ = Е/р                (1.13)
или
rot(rotE) = —/оцабсЕ/р.                (1.14)
   Из векторной алгебры известно, что
rot rotE = grad divE — V²E,            (1.15)
где V²E - оператор Лапласа (векторный лапласиан), характеризующий пространственное изменение индуктируемого электрическое поле Е в виде волны (см. рис. 1.2).

11