Επαγωγική Θέρμανση Μέσης Συχνότητας για Σφυρηλάτηση

Η ανάπτυξη του επαγωγικού κλιβάνου για την κατασκευή χάλυβα ήταν ένα όφελος για τους μικρούς παραγωγούς χάλυβα. Αυτοί οι φούρνοι εγκαθίστανται, λειτουργούν και συντηρούνται εύκολα. Αυτοί οι φούρνοι είναι μικρότεροι σε θερμικό μέγεθος με επένδυση χαμηλού κόστους και προτιμώνται από χαλυβουργεία χαμηλότερης δυναμικότητας. Σε αυτούς τους κλιβάνους, ο χάλυβας παράγεται με την τήξη του υλικού φορτίου χρησιμοποιώντας τη θερμότητα που παράγεται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Ο επαγωγικός κλίβανος αποτελείται βασικά από ένα χωνευτήριο, επαγωγικό πηνίο και κέλυφος, σύστημα ψύξης και μηχανισμό κλίσης. Το χωνευτήριο σχηματίζεται από πυρίμαχο υλικό, με το οποίο επενδύονται τα πηνία του κλιβάνου. Αυτό το χωνευτήριο συγκρατεί το υλικό φορτίου και στη συνέχεια το τήγμα. Η επιλογή του πυρίμαχου υλικού εξαρτάται από το είδος της γόμωσης και βασικά αποτελείται είτε από όξινα, είτε βασικά ή ουδέτερα πυρίμαχα.

Το επαγωγικό πηνίο είναι ένα σωληνωτό χάλκινο πηνίο με συγκεκριμένο αριθμό στροφών. Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) διέρχεται από αυτό και δημιουργείται μαγνητική ροή μέσα στον αγωγό. Η παραγόμενη μαγνητική ροή προκαλεί δινορεύματα που επιτρέπουν τη θέρμανση και στη συνέχεια τη διαδικασία τήξης στο χωνευτήριο.

Το κέλυφος είναι το εξωτερικό μέρος του κλιβάνου. Αυτό φιλοξενεί το χωνευτήριο και τα πηνία επαγωγής και έχει υψηλότερη θερμική ικανότητα. Είναι κατασκευασμένο από ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο με χαλύβδινη πλάκα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και ενώνεται στις γωνίες με ακραίες βάσεις από γωνιακά κομμάτια και λωρίδες από μη μαγνητικό μέταλλο.

Το σύστημα ψύξης είναι συνήθως ένα μονόδρομο σύστημα ροής με τα σωληνοειδή χάλκινα πηνία συνδεδεμένα στην πηγή νερού μέσω εύκαμπτων ελαστικών εύκαμπτων σωλήνων. Η διαδικασία ψύξης είναι σημαντική επειδή το κύκλωμα του κλιβάνου φαίνεται ανθεκτικό και η πραγματική ισχύς δεν καταναλώνεται μόνο στο φορτισμένο υλικό αλλά και στην αντίσταση του πηνίου. Αυτή η απώλεια πηνίου καθώς και η απώλεια θερμότητας που μεταφέρεται από τη φόρτιση μέσω του πυρίμαχου χωνευτηρίου απαιτεί το πηνίο να ψύχεται με νερό ως ψυκτικό μέσο για να αποτραπεί η αδικαιολόγητη αύξηση της θερμοκρασίας των χάλκινων πηνίων.

Πρώτες Ύλες και Πηγή Ενέργειας

Τα σκραπ τήξης χάλυβα, ο απευθείας ανηγμένος σίδηρος και ο χυτοσίδηρος/χυτοσίδηρος είναι οι πρώτες ύλες εισόδου για έναν επαγωγικό κλίβανο. Η αναλογία αυτών των ειδών και η τεχνολογία τήξης αυτών των υλικών εισόδου ποικίλλει ανάλογα με τη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών και την τοποθεσία της εγκατάστασης. Απαιτούνται περαιτέρω επιλεγμένες πρώτες ύλες για την παραγωγή χάλυβα ειδικής ποιότητας. Για καλύτερη και αποτελεσματική λειτουργία της τήξης σε επαγωγικό κλίβανο, το φορτίο πρώτης ύλης πρέπει να πληροί τα ακόλουθα κριτήρια.

Πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο πυκνό. Η συμπίεση του σκραπ είναι σημαντική για την εξασφάλιση ομοιόμορφης και γρήγορης θέρμανσης καθώς και για εξοικονόμηση ενέργειας.

Πρέπει να είναι καθαρό. Η σκουριά, το λάδι, το γράσο και η άμμος κ.λπ. θα πρέπει κατά προτίμηση να είναι μηδενικά.

Πρέπει να είναι μεταλλουργικά καθαρό, δηλαδή απαλλαγμένο από σβώλους σκωρίας, οξείδια κ.λπ., ιδιαίτερα για απευθείας ανηγμένο σίδηρο, κρανίο και κράματα σιδήρου.

Δεν υπάρχουν ή λιγότερο αιχμηρές μυτερές άκρες, ιδιαίτερα σε περίπτωση βαριών και ογκωδών απορριμμάτων.

Πρέπει να διαχωρίζεται από επιβλαβή συστατικά όπως εκρηκτικά, κλειστά δοχεία, εξατμιστικές ουσίες και να είναι άμεσα διαθέσιμο σε μεγέθη με χρέωση στο πάτωμα του καταστήματος.

Η ηλεκτρική ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας για την τήξη του χάλυβα στον επαγωγικό κλίβανο. Ο επαγωγικός κλίβανος πρέπει να λειτουργεί στη μέγιστη ισχύ από την αρχή. Υπάρχει κάποια λανθασμένη αντίληψη ότι ο φούρνος λειτουργεί με χαμηλή βρύση αρχικά και στη συνέχεια αυξάνεται σταδιακά σε υψηλότερη βρύση. Η μέγιστη ισχύς εισόδου αυξάνει τον ρυθμό τήξης και ως εκ τούτου μειώνει τον χρόνο κύκλου μιας θερμότητας. Ο συντελεστής ισχύος πρέπει να διατηρείται κοντά στο ένα.

Η πτώση τάσης από την πηγή πρέπει επίσης να παρακολουθείται για καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Ο περαιτέρω ρυθμός κατανάλωσης ενέργειας εξαρτάται από το μέγεθος του κλιβάνου και μειώνεται καθώς η χωρητικότητα του κλιβάνου αυξάνεται περίπου στους 15 έως 17 τόνους και στη συνέχεια ο ρυθμός κατανάλωσης παραμένει σχεδόν σταθερός σε περίπου 600 kWh/τόνο.

Σημαντικές πτυχές της λειτουργίας
Καθώς ο υγρός χάλυβας διεγείρεται από ρεύμα αντίθετο από το ρεύμα που ρέει στο πηνίο επαγωγής, αναδεύεται για να ανυψωθεί η επιφάνειά του στο κέντρο. Η επιφάνεια του υγρού χάλυβα ανεβαίνει υψηλότερα καθώς η συχνότητα γίνεται χαμηλότερη, δηλαδή η ανάδευση του υγρού χάλυβα γίνεται πιο ισχυρή σε κλίβανο χαμηλής συχνότητας από ό,τι σε κλίβανο υψηλής συχνότητας. Αυτή η επίδραση της ανάδευσης καθιστά δυνατή τη διασφάλιση της ομοιόμορφης θερμοκρασίας του υγρού χάλυβα και της ομοιόμορφης ποιότητάς του καθώς και την προώθηση της παγίδευσης του φορτισμένου υλικού και της σύντηξης των παραγόντων ρύθμισης της χημικής σύνθεσης, ειδικά της προσθήκης άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, η υπερβολική ανάδευση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα όπως η οξειδωτική φθορά υγρού χάλυβα και η σύντηξη από πυρίμαχα υλικά ή κίνδυνος πιτσιλίσματος υγρού χάλυβα.

Μόλις ολοκληρωθεί η τήξη, η σκωρία αφαιρείται. Η σκωρία που δημιουργείται κατά την τήξη έχει την τάση να κολλάει στο τοίχωμα του κλιβάνου. Αυτό μειώνει τον όγκο του κλιβάνου, επομένως μειώνει την παραγωγή μετάλλου ανά θερμότητα.

Η υπερθέρμανση του μετάλλου γίνεται σε υψηλότερη θερμοκρασία και διατηρείται για λίγα λεπτά. Αυτό εμποδίζει την απόθεση σκωρίας στην επένδυση του κλιβάνου διατηρώντας τον φούρνο καθαρό με πλήρη όγκο.

Η σύνθεση της σκωρίας ποικίλλει ανάλογα με τη συγκεκριμένη διαδικασία που χρησιμοποιείται και τον τύπο του χάλυβα που παράγεται. Οι συνθέσεις των σκωριών κλιβάνου και κουτάλας είναι συχνά πολύ περίπλοκες. Η σκωρία που σχηματίζεται είναι το αποτέλεσμα πολύπλοκων αντιδράσεων μεταξύ πυριτίου, οξειδίου του σιδήρου από θραύσματα χάλυβα, άλλων οξείδωσης από προϊόντα από την τήξη και αντιδράσεων με πυρίμαχες επενδύσεις. Η σκωρία αποτελείται από μια σύνθετη υγρή φάση οξειδίων του σιδήρου, μαγγανίου, μαγνησίου και πυριτίου, πυριτικών και σουλφιδίων συν ένα πλήθος άλλων ενώσεων, οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν αλουμίνα, οξείδια ασβεστίου και σουλφίδια, οξείδια και σουλφίδια σπανίων γαιών κ.λπ.

Κατά την παραγωγή του χάλυβα, η χημεία του τελικού προϊόντος ελέγχεται. Η χημική ανάλυση όλων των υλικών εισόδου γίνεται για να ληφθεί απόφαση για το μείγμα φορτίου. Μετά την ολοκλήρωση της φόρτισης κατά 50 % των υλικών εισόδου, ένα δείγμα λουτρού αναλύεται για χημική σύνθεση. Με βάση τη χημική ανάλυση του δείγματος λουτρού σε αυτό το στάδιο γίνονται υπολογισμοί για περαιτέρω προσθήκες των μετάλλων. Εάν το δείγμα λουτρού σε αυτό το στάδιο εμφανίζει υψηλό ποσοστό άνθρακα, θείου και φωσφόρου τότε η άμεση μειωμένη περιεκτικότητα του φορτίου σε σίδηρο αυξάνεται. Το τελικό δείγμα λουτρού λαμβάνεται όταν ολοκληρωθεί η τήξη 80%. Με βάση την ανάλυση αυτού του δείγματος, γίνεται άλλη μια προσαρμογή στη χρέωση. Η χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα στο δείγμα διορθώνεται αυξάνοντας την ποσότητα χυτοσιδήρου/χυτοσιδήρου στο φορτίο. Το πυρίτιο και το μαγγάνιο στο μέταλλο οξειδώνονται από το οξείδιο του σιδήρου του άμεσα ανηγμένου σιδήρου. Το θείο αραιώνεται επίσης από τον άμεσα ανηγμένο σίδηρο. Λόγω της χρήσης απευθείας ανηγμένου σιδήρου, τα ιχνοστοιχεία στον χάλυβα που κατασκευάζεται στον επαγωγικό κλίβανο παραμένουν υπό έλεγχο.

Ο υγρός χάλυβας είναι η επιθυμητή έξοδος του επαγωγικού κλιβάνου. Η ποσότητα εξαρτάται από τη χωρητικότητα του κλιβάνου και η ποιότητα εξαρτάται από τις πρώτες ύλες και τη σύνθεση του χάλυβα. Η θερμοκρασία κρούσης εξαρτάται από τον τύπο του χάλυβα και την υπερθερμότητα που απαιτείται στον υγρό χάλυβα για την τελική του χρήση. Το χτύπημα του χάλυβα σε υψηλές θερμοκρασίες αυξάνει την πυρίμαχη διάβρωση και την κατανάλωση ενέργειας.

Η περιττή υπερθέρμανση υγρού χάλυβα σε υψηλή θερμοκρασία κοστίζει σημαντικά την ενέργεια. Η ελαχιστοποίηση της υπερθέρμανσης του λιωμένου λουτρού εξοικονομεί ενέργεια. Ανάλογα με τις προδιαγραφές του χάλυβα και την απώλεια θερμοκρασίας κατά τη μεταφορά του υγρού χάλυβα σε μηχάνημα συνεχούς χύτευσης, πρέπει να αποφασιστεί η θερμοκρασία υπερθέρμανσης. Σε κάθε θερμότητα, η θερμοκρασία του λουτρού υγρού χάλυβα πρέπει να μετράται και να παρακολουθείται για να επιτευχθεί η βέλτιστη εξοικονόμηση ενέργειας. Πρέπει να παρέχονται κατάλληλα συστήματα ελέγχου ισχύος με ρύθμιση ποτενσιόμετρου για την ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας λόγω υπερθέρμανσης.

Άλλες όψεις της παραγωγής χάλυβα σε φούρνους επαγωγής
Ανάλογα με την εγκατεστημένη πυκνότητα ισχύος και την πρακτική τήξης, η θερμική απόδοση του επαγωγικού κλιβάνου μπορεί να ξεπεράσει το 80%, αλλά συνήθως κυμαίνεται από 60% έως 78%.

Οι επαγωγικοί κλίβανοι διατηρούνται συνήθως ανοιχτοί κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας τήξης, όπου οι εργαζόμενοι ασχολούνται με την απολέπιση σκωρίας και την παρακολούθηση της ποιότητας του λιωμένου λουτρού. Ωστόσο, αυτό οδηγεί σε σημαντική απώλεια θερμότητας και ως εκ τούτου πρέπει να τοποθετηθούν ειδικά καλύμματα ή καπάκια για τη μείωση των απωλειών θερμότητας. Συγκεκριμένα, η μείωση του χρόνου που το καπάκι παραμένει ανοιχτό κατά την τήξη, μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας.

Η θεωρητική απαίτηση ενέργειας για την τήξη του σιδήρου είναι μόνο 340 kWh ανά τόνο, ενώ η πραγματική απαιτούμενη ισχύς είναι περίπου 600 kWh. Αυτή η διαφορά οφείλεται σε δύο παράγοντες, συγκεκριμένα (i) εγγενή στην αρχή της τήξης σε έναν επαγωγικό κλίβανο που περιλαμβάνει την αναποτελεσματικότητα στις απώλειες ηλεκτρικών ράβδων διαύλου, τις απώλειες δινορευμάτων, τις απώλειες πυρίμαχων και τις απώλειες νερού ψύξης κ.λπ., και (ii) τις λειτουργικές απώλειες που οφείλονται σε μεγάλο βαθμό στην περιττή και υπερβολική συγκράτηση υγρού χάλυβα στον επαγωγικό κλίβανο.

Ο εξοπλισμός του επαγωγικού κλιβάνου πρέπει να τοποθετείται με ελάχιστη απόσταση μεταξύ κάθε εξοπλισμού για να μειωθούν οι απώλειες καλωδίωσης. Για να μειωθούν σημαντικά οι απώλειες καλωδίωσης, είναι απαραίτητο να συντομεύσετε την απόσταση μεταξύ του σώματος του κλιβάνου και του πυκνωτή βελτίωσης του συντελεστή ισχύος καθώς ρέει πολύ μεγάλο ρεύμα μεταξύ τους.

Η απόδοση του επαγωγικού κλιβάνου εκφράζεται ως σύνολο, αφαιρώντας τις ηλεκτρικές απώλειες και τις απώλειες μεταφοράς θερμότητας. Οι ηλεκτρικές απώλειες συνίστανται σε μετασχηματιστή, μετατροπέα συχνότητας, συμπυκνωτή, καλωδίωση, καλώδιο, πηνίο κ.λπ. Η απώλεια σε πηνίο είναι βασικός παράγοντας από τον οποίο εξαρτάται η χωρητικότητα του κλιβάνου. Οι απώλειες θερμότητας στον επαγωγικό κλίβανο συνίστανται σε απώλεια αγωγιμότητας της θερμότητας που διαφεύγει από το τοίχωμα του κλιβάνου στην πλευρά του πηνίου, απώλεια ακτινοβολίας θερμότητας που απελευθερώνεται από την επιφάνεια τήγματος, απώλεια απορρόφησης στο δακτυλιοειδές κάλυμμα, απώλεια τήξης σκωρίας κ.λπ. Τα πηνία του κλιβάνου ψύχονται με νερό, γεγονός που επίσης έχει ως αποτέλεσμα σε απώλεια θερμότητας. Η θερμική απόδοση των κλιβάνων υψηλής και μέσης συχνότητας (60 % – 78 %) είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή των κλιβάνων χαμηλής συχνότητας (58 % – 71 %).