RU2778339C1 - Installation of induction melting of metals - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to an installation for induction melting of metals. The installation consists of an induction furnace with a single-phase inductor shunted by a compensating capacitor. A frequency converter with a current inverter containing two groups of valves connected in parallel connected through a filter choke to the DC terminals of the rectifier, each group consisting of two series-connected valves, the common terminals of which are connected to an inductor made in the form of sections shunted with additional compensating capacitors, and the inverter is equipped with additional groups of series-connected valves, the common terminals of which are connected to the common terminals of the inductor sections.

EFFECT: single-loop circulation of liquid metal in the working volume of the crucible and its effective mixing are ensured due to the induction of electrodynamic forces in the melt directed along the axis of the crucible and the formation of a traveling wave of electromagnetic pressure created by radial electrodynamic forces; the high efficiency of melt mixing ensures the acceleration of metal processing processes and the improvement of the quality of the resulting alloys.

1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и металлургии, а именно, к оборудованию для индукционного нагрева и плавки металлов. Индукционные тигельные печи (ИТП) широко используются для получения точных сплавов металлов, в которых реализуются технологии плавки с управляемым движением расплава и характера циркуляции металла.The present invention relates to the field of electrical engineering and metallurgy, namely, to equipment for induction heating and melting of metals. Crucible induction furnaces (ITFs) are widely used to obtain precision metal alloys, in which melting technologies with controlled melt movement and the nature of metal circulation are implemented.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является установка индукционной плавки содержащая полупроводниковый преобразователь частоты с параллельным инвертором тока и ИТП с однофазным индуктором [Л1] компании «ABP Induction», схема которого выбрана в качестве прототипа.The closest in technical essence to the claimed invention is an induction melting plant containing a semiconductor frequency converter with a parallel current inverter and an ITP with a single-phase inductor [L1] from ABP Induction, the circuit of which is chosen as a prototype.

Проблемой указанного прототипа является невозможность управления движением металла во время плавки и перемешивания расплава. При однофазном питании индуктора расплав циркулирует по двум тороидальным контурам, обусловленным наличием нормального сжимающего электродинамического давления, неравномерно распределенного по высоте тигля, достигающего максимального значения в средней его части. Кроме этого, силовое воздействие на металл приводит к образованию мениска (выпуклости) на поверхности расплава [Л2]. Двухконтурная циркуляция металла приводит к неоднородности химического состава и к неравномерности распределения температуры в расплаве, так как между циркулирующими контурами перемешивание металла практически отсутствует. При этом мениск приводит к переохлаждению его поверхности и к необходимости использования большого количества защитного шлака.The problem of this prototype is the inability to control the movement of the metal during melting and mixing of the melt. With a single-phase supply of the inductor, the melt circulates along two toroidal circuits, due to the presence of a normal compressive electrodynamic pressure, unevenly distributed over the height of the crucible, reaching a maximum value in its middle part. In addition, the force effect on the metal leads to the formation of a meniscus (bulge) on the surface of the melt [L2]. Double-circuit metal circulation leads to inhomogeneity of the chemical composition and to uneven temperature distribution in the melt,since there is practically no mixing of metal between the circulating circuits. In this case, the meniscus leads to supercooling of its surface and the need to use a large amount of protective slag.

Предлагаемое изобретение - установка индукционной плавки металлов - позволяет устранить отмеченные недостатки установок классического исполнения и обеспечить эффективное управление движением металла в технологическом процессе обработки и легирования сплава.The present invention - installation for induction melting of metals - allows to eliminate the noted shortcomings of classical installations and to ensure effective control of the movement of metal in the technological process of processing and alloying the alloy.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Установка индукционной плавки, состоящая из индукционной печи с однофазным индуктором, зашунтированная компенсирующим конденсатором. Преобразователя частоты с инвертором тока, содержащим две параллельно соединенных группы вентилей, подключенных через фильтровый дроссель к зажимам постоянного тока выпрямителя, причем каждая группа состоит из двух последовательно соединенных вентилей, общие выводы которых подключены к индуктору.The essence of the invention is as follows. Induction melting plant, consisting of an induction furnace with a single-phase inductor, shunted by a compensating capacitor. A frequency converter with a current inverter containing two groups of valves connected in parallel connected through a filter choke to the DC terminals of the rectifier, each group consisting of two valves connected in series, the common terminals of which are connected to an inductor.

Новым является то, что индуктор печи выполнен в виде секций, зашунтированных, дополнительными компенсирующими конденсаторами, а инвертор снабжен дополнительными группами последовательно соединенных вентилей, общие выводы которых подключены к общим выводам секций индуктора.What is new is that the furnace inductor is made in the form of sections shunted with additional compensating capacitors, and the inverter is equipped with additional groups of series-connected valves, the common terminals of which are connected to the common terminals of the inductor sections.

На фиг. 1 приведена схема установки индукционной плавки металлов, в которой обозначены:In FIG. 1 shows a diagram of an installation for induction melting of metals, in which the following are indicated:

1 - фильтровый дроссель;1 - filter choke;

2-9, 5-6 - две основные группы вентилей инвертора;2-9, 5-6 - two main groups of inverter valves;

3-8, 4-7 - дополнительные группы вентилей инвертора;3-8, 4-7 - additional groups of inverter valves;

10, 11, 12 - компенсирующие конденсаторы;10, 11, 12 - compensating capacitors;

13, 14, 15 - секции индуктора печи.13, 14, 15 - furnace inductor sections.

Установка работает следующим образом. Основные группы вентилей образуют вентильный мост, в диагональ переменного тока которого включен индуктор печи. При попарном открывании вентилей 2 - 9 и 5 - 6 на выходе инвертора формируется переменный ток прямоугольной формы I _н. Напряжение на колебательном контуре U _н, образованном индуктором и компенсирующими конденсаторами, имеет синусоидальную форму, при емкостном характере полного сопротивления и фазовым сдвигом по отношению к основной гармонике тока инвертора на угол ϕ_н (см. фиг. 2а). Секции индуктора и компенсирующие конденсаторы образуют колебательные контуры 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, причем, собственные частоты верхних контуров должны быть выше нижних, при этом напряжение на верхних секциях индуктора имеет отстающий фазовый сдвиг по отношению к напряжению на нижних секциях индуктора. На векторной диаграмме (см.фиг.2,а) фазовый сдвиг напряжений U ₁₂ и U ₁₃ равен углу ϕ₂₃, а угол между напряжением U ₁₁ и U ₁₂ составляет ϕ₁₂. При этом геометрическая сумма напряжения на секциях равна общему напряжению на индукторе.The installation works as follows. The main groups of valves form a valve bridge, in the alternating current diagonal of which the furnace inductor is included. When the valves 2 - 9 and 5 - 6 are opened in pairs, an alternating current of a rectangular shape I _n is formed at the output of the inverter. The voltage on the oscillatory circuit U _n , formed by the inductor and compensating capacitors, has a sinusoidal shape, with the capacitive nature of the impedance and a phase shift with respect to the fundamental harmonic of the inverter current by an angle ϕ _n (see Fig. 2a). Inductor sections and compensating capacitors form oscillatory circuits 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, moreover, the natural frequencies of the upper circuits must be higher than the lower ones, while the voltage on the upper sections of the inductor has a lagging phase shift with respect to the voltage on the lower sections of the inductor . On the vector diagram (see Fig.2, a) the phase shift of the voltages U ₁₂ and U ₁₃ is equal to the angle ϕ ₂₃ and the angle between the voltage U ₁₁ and U ₁₂ is ϕ ₁₂ . In this case, the geometric sum of the voltage on the sections is equal to the total voltage on the inductor.

На такие же углы сдвинуты токи в секциях индуктора, которые индуцируют сдвинутые по фазе вихревые токи в ванне жидкого металла, в результате чего в сопряженных зонах секций индуктора А ₁ и А ₂ создаются тангенциальные электродинамические силы, направленные снизу вверх вдоль оси тигля P _{τ 12}, P _{τ 23} (фиг. 2б). Кроме этого, создаются нормальные составляющие сил электродинамического воздействия, вызывающие радиальное давление на ванну жидкого металла P _{n 11}, P _{n 12}, P _{n 13}. Совместное действие осевых и радиальных сил способствуют образованию одноконтурной циркуляции металла с восходящими потоками металла у стенок тигля (см. фиг.2в). Однако осевые электродинамические силы значительно меньше радиальных, поэтому для изменения характера циркуляции металла в тигле осевых усилий, образующихся в расплаве, может быть недостаточно. Для повышения эффективности перемешивания металла целесообразно изменить режим электропитания секций индуктора так, что бы величина высокочастотного тока в них периодически изменялась в определенной последовательности. При этом нормальное электродинамическое давление, воздействующее на ванну жидкого металла, перемещается вдоль оси тигля, создавая бегущую волну давления с заданной скоростью и вызывая направленное движение жидкого металла. Такой режим электропитания секций индуктора обеспечивается в предлагаемой схеме инвертора тока, приведенной на фиг. 1.The currents in the inductor sections are shifted at the same angles, which induce phase-shifted eddy currents in the liquid metal bath, as a result of which tangential electrodynamic forces are created in the conjugate zones of the inductor sections A ₁ and A ₂ , directed from bottom to top along the axis of the crucible P _{τ 12} , P _{τ 23} (Fig. 2b). In addition, normal components of the forces of electrodynamic action are created, causing radial pressure on the liquid metal bath P _{n 11} , P _{n 12} , P _{n 13} . The combined action of axial and radial forces contribute to the formation of a single-circuit metal circulation with upward metal flows near the walls of the crucible (see figv). However, the axial electrodynamic forces are much smaller than the radial ones, so the axial forces generated in the melt may not be enough to change the nature of the metal circulation in the crucible. To increase the efficiency of metal mixing, it is advisable to change the power supply mode of the inductor sections so that the high-frequency current in them changes periodically in a certain sequence. In this case, the normal electrodynamic pressure acting on the liquid metal bath moves along the axis of the crucible, creating a traveling pressure wave at a given speed and causing a directed movement of the liquid metal. Such a power supply mode for the inductor sections is provided in the proposed current inverter circuit shown in Fig. one.

В первом режиме работы инвертора попарно включаются вентили 2 - 7 и 3 - 6, при этом формируется выходной ток инвертора прямоугольной формы, питающий колебательный контур 12 - 15. В нем создается наибольший ток и развивается наибольше электромагнитное давление P _{n 13} в нижней части тигля печи (см. фиг. 3а). В других секциях индуктора протекает ток взаимоиндукции, и создаются радиальные давления P _{n 11}, P _{n 12} значительно меньшие, чем в нижней части тигля, а также воздействуют осевые силы P _τ12, P _τ23.In the first mode of operation of the inverter, valves 2 - 7 and 3 - 6 are switched on in pairs, while the output current of the rectangular inverter is formed, feeding the oscillatory circuit 12 - 15. It creates the largest current and develops the most electromagnetic pressureP _{n 13} at the bottom of the furnace crucible (see Fig. 3a). Mutual induction current flows in other sections of the inductor, and radial pressures are createdP _{n eleven},P _{n 12} significantly smaller than in the lower part of the crucible, and axial forces also actP _τ12,P _τ23.

Во втором режиме работы попарно включаются вентили 2 - 8, 4 - 6 и выходной ток инвертора протекает по двум последовательно соединенным колебательным контурам 11 - 14, 12 - 15. В них возбуждаются токи и создаются радиальные силы давления P _{n 12}, P _{n 13} в нижней и средней части тигля печи (см. фиг. 3б). В верхней секции индуктора протекает ток взаимоиндукции и создается относительно небольшое радиальное давление P _{n 11}. В расплаве также создаются наибольшие осевые силы P _τ23 и относительно небольшие P _τ12.In the second mode of operation, valves 2 - 8, 4 - 6 are switched on in pairs and the output current of the inverter flows through two series-connected oscillatory circuits 11 - 14, 12 - 15. Currents are excited in them and radial pressure forces are created P _{n 12},P _{n 13} in the lower and middle parts of the furnace crucible (see Fig. 3b). A mutual induction current flows in the upper section of the inductor and a relatively small radial pressure is createdP _{n eleven}. The highest axial forces are also created in the meltP _τ23 and relatively smallP _τ12.

В третьем режиме работы попарно включаются вентили 2 - 9, 5 - 6 и выходной ток инвертора протекает по трем последовательно соединенным колебательным контурам 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, в которых возбуждаются примерно одинаковые токи и создается одинаковое радиальное электромагнитное давление P _{n 11}, P _{n 12}, P _{n 13}, а в расплаве появляются одинаковые осевые силы P _τ12, P _τ23 (см. фиг. 3).In the third mode of operation, valves 2 - 9, 5 - 6 are switched on in pairs and the output current of the inverter flows through three series-connected oscillatory circuits 10 - 13, 11 - 14, 12 - 15, in which approximately the same currents are excited and the same radial electromagnetic pressure is createdP _{n eleven},P _{n 12},P _{n 13}, and the same axial forces appear in the meltP _τ12,P _τ23 (see Fig. 3).

Таким образом, фронт волны радиального давления при переходе от одного режима работы инвертора к другому движется вдоль оси печи снизу вверх со скоростью, определяемой частотой переключения режимов работы инвертора. При этом осевые силы в межсекционных зонах действуют в том же направлении, что способствует созданию одноконтурной циркуляции жидкого металла и активному его перемешиванию по всему рабочему объему печи.Thus, the front of the radial pressure wave during the transition from one mode of operation of the inverter to another moves along the axis of the furnace from bottom to top with a speed determined by the frequency of switching modes of the inverter. In this case, the axial forces in the intersection zones act in the same direction, which contributes to the creation of a single-loop circulation of the liquid metal and its active mixing throughout the working volume of the furnace.

Источники информацииSources of information

1. Информационный католог индукции фирмы АВР «THYRISTOR CONVERTER WITH PARALLEL RESONANT CIRCUIT» www.abpinduction.com1. ABP induction information catalog "THYRISTOR CONVERTER WITH PARALLEL RESONANT CIRCUIT" www.abpinduction.com

2. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов М.: Энергия, 1967 г, с. 213.2. Weinberg A.M. Induction melting furnaces. Textbook for universities M.: Energy, 1967, p. 213.

Claims (1)

Установка индукционной плавки металлов, состоящая из индукционной печи с однофазным индуктором, зашунтированным компенсирующим конденсатором преобразователя частоты с инвертором тока, содержащим две параллельно соединенные группы вентилей, подключенных через фильтровый дроссель к зажимам постоянного тока выпрямителя, причем каждая группа состоит из двух последовательно соединенных вентилей, общие выводы подключены к индуктору, отличающаяся тем, что индуктор выполнен в виде секций, зашунтированных дополнительными компенсирующими конденсаторами, а инвертор снабжен дополнительными группами последовательно соединенных вентилей, общие выводы которых подключены к общим выводам секции индуктора.Installation for induction melting of metals, consisting of an induction furnace with a single-phase inductor, shunted by a compensating capacitor of a frequency converter with a current inverter, containing two groups of valves connected in parallel, connected through a filter choke to the DC terminals of the rectifier, each group consisting of two valves connected in series, common the conclusions are connected to the inductor, characterized in that the inductor is made in the form of sections shunted with additional compensating capacitors, and the inverter is equipped with additional groups of series-connected valves, the common conclusions of which are connected to the common conclusions of the inductor section.

Images