Плавка ферротитана

Опубликовано Julegin - пт, 03.09.2021 - 17:45

Индукционный нагрев, генераторы серии Т5 пятого поколения. Титан – это относительно легкий металл, поэтому в расплаве титана более тяжелые присадки (в частности, железо) имеют склонность опускаться на дно тигля. Следовательно, для получения качественного однородного расплава требуется интенсивное перемешивание расплава, что возможно только вихревыми токами низкой частоты порядка 50 Гц

В жидком расплаве вихревые токи вызывают т.н. двухконтурную циркуляцию металла. Ее интенсивность определяют по высоте купола в «зеркале» расплава – «высота мениска», которая обратно пропорциональна корню из частоты тока. Однако низкая частота эффективно греет металл только в случае, когда расплав уже получен, т.е. в жидкой фазе металла. Чтобы получить начальный расплав, требуется повышенная частота порядка 200 Гц для возбуждения достаточных вихревых токов в твердой мелкой шихте.

Генератор, который должен обеспечить 2-х частотный режим, называют 2-х контурным, т.к. он обеспечивает работу на два контура: НЧ-контур и ВЧ-контур. НЧ-контур основной, на нем можно выполнить серию плавок, оставляя после каждой плавки небольшой остаток жидкого расплава («болото»). Однако неизбежно наступает момент (замена износившейся футеровки индуктора), когда нужно начать процесс с разогрева твердой шихты – тогда используется ВЧ-контур.

Серия Т5 представляется наилучшим решением на рынке плавки ферротитана, поскольку оптимально подходит для использования низких частот и 2-х контурного нагрева. Для обоснования данного тезиса рассмотрим историю вопроса.

В мировой практике индукционного нагрева используются два вида нагрузок на выходе генератора: параллельный или последовательный контур. Низкую частоту порядка 50...60 Гц традиционно получают на последовательном контуре. На последовательной схеме уже более 40 лет специализируется корпорация США «Индуктотерм» (Inductotherm). Однако для наиболее массово используемых средних частот от 0.5 до 2.4 кГц последовательный контур неэффективен, поэтому в мире на два порядка больше используют параллельную схему для множества различных задач, кроме низкочастотных приложений (50…60Гц).

Причина исключения низких частот в том, что в традиционной параллельной схеме у мощных генераторов используется инвертор с относительно большим сглаживающим дросселем на входе, индуктивность которого обратно пропорциональна выходной частоте генератора. При низкой частоте (50Гц) должны на порядок возрасти (по отношению к 500Гц) массогабаритные показатели реактора, электрические потери и стоимость. Традиционная параллельная схема, несмотря на хорошие регулировочные свойства, экономически проигрывает последовательной схеме в области низких частот (50Гц). По этой причине на данный момент на рынке плавки ферротитана доминирует последовательная схема, поставляемая корпорацией Индуктотерм в течение 40 лет.

В серии Т5 используется параллельный контур, но в отличие от традиционной схемы инвертора на его входе устанавливается транзисторный прерыватель тока – чоппер, благодаря которому индуктивность дросселя на входе инвертора в десятки раз меньше. Поэтому снимается проблема больших массогабаритных показателей реактора, электрических потерь и стоимости при низких частотах (50Гц). При этом остаются преимущества параллельной схемы – широкая рабочая зона изменения нагрузки (загрузка индуктора металлом), где мощность может обеспечиваться близкой к номинальной.

В последовательной схеме Индуктотерм, во-первых, рабочая зона в НЧ-контуре весьма узкая, а во-вторых, мощность в ВЧ-контуре очень маленькая, что значительно снижает производительность плавки. Объяснение дано ниже.

В последовательной схеме у мощных генераторов происходит повторяющийся перезаряд последовательной емкости через индуктор. После перезаряда следует пауза тока индуктора, после которой перезаряд повторяется с противоположной полярностью. Выпрямитель постоянно открыт, амплитуда и форма тока перезаряда определяется только свойствами самого индуктора (загрузка металлом). При наличии паузы форма тока не зависят от частоты перезарядов, поскольку частота влияет только на ширину паузы. С уменьшением паузы мощность растет, пока пауза не уменьшится до нуля. Это конец регулировки для наиболее мощных инверторов, где не используются обратные диоды. При наличии обратных диодов можно продолжить повышение частоты, тогда вместо паузы появляется интервал перекрытия работы тиристоров и диодов, а мощность при этом снижается. Следовательно, нулевая пауза остается точкой максимальной мощности.

Поскольку инвертор в последовательной схеме не способен регулировать напряжение, зона максимальной (номинальной) мощности сводится к одной точке - где пауза нулевая. Таким образом, в цикле нагрева, где параметры индуктора изменчивы, имеем  только одну точку нагрузки, где мощность номинальная, а во всех остальных точках нагрузки мощность ниже номинальной. В то время, как в параллельной схеме инвертор способен регулировать напряжение, и при этом зона номинальной мощности может охватывать 2-х кратное изменение активной и индуктивной составляющих изменения нагрузки.

Второй недостаток последовательной схемы Индуктотерм – малая мощность в ВЧ-контуре. Обычно стремятся к 4-х кратному повышению частоты, что обеспечивается за счет 16-ти кратного уменьшения последовательной емкости. При этом амплитуда тока перезаряда уменьшается в 4 раза, а мощность примерно в 6 раз – всего порядка 15% номинальной мощности (при прочих равных условиях). Такая малая мощность в ВЧ-контуре затягивает процесс расплава даже небольшого количества шихты для образования «болота», однако нет регулировки для подъема мощности.

В параллельной схеме также ВЧ-контур образуется за счет 16-ти кратного снижения параллельной емкости, но отличие в том, что напряжение инвертора можно регулировать (при открытом выпрямителе) в сторону повышения и тем самым повышать мощность нагрева.

Например, в НЧ-контуре можно взять номинальную точку 700В, а в ВЧ-контуре 1000В, где мощность снизится за счет 4-х кратного увеличения частоты в 6 раз, но одновременно повысится за счет подъема напряжения в 2 раза (квадрат отношения 1000/700). В итоге вместо 15% получаем 30%, что 2 раза ускоряет получение расплава из мелкой шихты в ВЧ-контуре.

В декабре 2020 года внедрен в эксплуатацию новый 2-х контурный генератор серии Т5 для плавки ферротитана на предприятии «Горизонт-М», название модели Т5C-1300-0.05/0.2-1000-690. Генератор изготовлен в компании «ОКБ Козырев», г. Челябинск, по лицензии компании ALJUEL, контроллер для генератора поставлен компанией ALJUEL. На данный момент исполнилось 8 месяцев эксплуатации. Перед запуском в эксплуатацию проводился суточный мониторинг – см. предыдущую статью. В ходе эксплуатации выхода компонентов из строя не было. Технические данные генератора:

Напряжение на входе 3х 690В, +/-10%

НЧ-контур:

  • номинальная мощность 1300кВт,
  • номинальная частота 50Гц, диапазон 30…80Гц;
  • диапазон напряжения на выходе 80…1000В;
  • рабочее напряжение в длительной фазе 600…800В.

ВЧ-контур:

  • номинальная мощность 650кВт,
  • номинальная частота 200Гц, диапазон 100…250Гц;
  • диапазон напряжения на выходе 80…1100В;
  • рабочее напряжение в длительной фазе 1080В.

Ниже дано фото внешнего вида генератор, а также смотрите видео процесса начала расплава при работе ВЧ-контура.

Вид на генератор Т5-1300