I. Tło projektu i specyfikacje sprzętu

Niniejsze studium przypadku dotyczy średniej częstotliwości pieca indukcyjnego do topienia, model WDL-KGPS-800, o mocy znamionowej 0,8 tony i maksymalnej pojemności 0,96 tony, przeznaczonego do topienia aluminium. Urządzenie wykorzystuje średniej częstotliwości ogrzewanie indukcyjne i jest wyposażone w hydrauliczny system przechylania do rozładunku stopionego aluminium. System elektryczny jest skonfigurowany do zasilania trójfazowego 380V/50Hz, z trójfazowym prostownikiem sześciopulsowym i połączonym równolegle falownikiem.

Kluczowe cechy techniczne tego urządzenia leżą w połączeniu systemu zasilania średniej częstotliwości KGPS i stalowej obudowy pieca z hydraulicznym systemem przechylania, stanowiąc rozwiązanie do topienia indukcyjnego o średniej pojemności, odpowiednie do pracy w odlewniach.

II. System zasilania średniej częstotliwości KGPS

System zasilania wykorzystuje tyrystorowy zasilacz średniej częstotliwości KGPS, który dojrzewał przez ponad dekadę ciągłego rozwoju technologicznego. Sekcja prostownika to trójfazowy mostek w pełni sterowany, ze średniej częstotliwości napięciem wyjściowym 1500 V, mocą znamionową 500 kW i częstotliwością wyjściową 1000 Hz. Współczynnik mocy przekracza 0,9, a wskaźnik sukcesu rozruchu wynosi 100%, co oznacza, że oscylacje średniej częstotliwości mogą być niezawodnie ustanowione przy każdej próbie rozruchu.

Obwód sterowania wykorzystuje architekturę cyfrowej płyty sterującej ósmej generacji, charakteryzującą się stałą kontrolą mocy, miękkim startem przy zerowym ciśnieniu i zmiennej częstotliwości oraz podwójnym sprzężeniem zwrotnym napięcia i prądu. System ochrony obejmuje warunki nadprądowe, przepięciowe, podprądowe, podnapięciowe, utraty wody i utraty fazy. Gdy jakikolwiek parametr przekroczy ustawiony próg, system automatycznie blokuje wyjście impulsowe i odłącza zasilanie obwodu głównego.

Szafa zasilająca i szafa kondensatorów są rozmieszczone oddzielnie. Szafa kondensatorów zapewnia średniej częstotliwości kompensację równoległą, poprawiając współczynnik mocy systemu i zmniejszając straty transmisji mocy biernej na liniach dystrybucyjnych. Pojemność banku kondensatorów jest dopasowana do częstotliwości rezonansowej cewki indukcyjnej, zapewniając pracę w pobliżu punktu rezonansowego w warunkach znamionowych dla optymalnej sprawności wyjściowej mocy.

III. Konstrukcja cewki indukcyjnej i ekranowanie jarzma magnetycznego

Cewka indukcyjna jest kluczowym elementem konwersji energii w piecu średniej częstotliwości. Po podłączeniu zasilania, cewka generuje silne pole magnetyczne zmienne, które indukuje prądy wirowe w ładunku metalu w komorze pieca, generując ciepło. Materiał cewki to miedź T2 o grubości ścianki 5 mm, wykonana jako spiralna rura. Konstrukcja cewki opiera się na analizie pola elektromagnetycznego metodą elementów skończonych, z odchyleniem między rzeczywistą mocą roboczą a mocą projektową kontrolowanym w granicach 5%.

Cewka wykorzystuje zaawansowaną technologię izolacji międzyzwojowej, z dedykowaną technologią mocowania w celu zmniejszenia wibracji osiowych. Wewnętrzna ściana cewki jest pokryta importowanymi materiałami izolacyjnymi odpornymi na wysokie temperatury, a system alarmowy wycieku z pieca jest zainstalowany w celu wykrycia ryzyka przesiąkania stopionego aluminium. Na wewnętrznej powierzchni cewki naniesiona jest powłoka ogniotrwała o grubości od 10 do 15 mm, która pełni dwie funkcje: ułatwia budowę wyłożenia pieca i zapobiega deformacji termicznej wyłożenia, która wpływałaby na żywotność.

Jarzma magnetyczne mają konstrukcję o profilu półksiężycowym, laminowane z blach stalowych krzemowych walcowanych na zimno i mocowane za pomocą szyn ze stali nierdzewnej. Powierzchnia styku między jarzmem a zewnętrzną powierzchnią cewki jest zakrzywiona, zapewniając kontakt powierzchniowy, a nie liniowy, co zapewnia lepszą wydajność mocowania i zmniejsza wyciek strumienia magnetycznego. Blachy stalowe krzemowe są wzmocnione dedykowanymi szynami zamiast śrub przelotowych, maksymalizując efektywną powierzchnię magnetyczną blach i zmniejszając lokalne nagrzewanie. Jarzma magnetyczne służą do ekranowania wycieku strumienia magnetycznego, zapobiegania nagrzewaniu się korpusu pieca, podtrzymywania i mocowania cewki indukcyjnej oraz poprawy ogólnej sprawności systemu.

IV. Hydrauliczny system przechylania

Przechylanie pieca jest napędzane przez system hydrauliczny z dwoma siłownikami rozmieszczonymi po obu stronach korpusu pieca do podnoszenia. Powrót pieca odbywa się grawitacyjnie. Stacja hydrauliczna jest wyposażona w podwójne silniki i podwójne pompy – jedną w użyciu i jedną w trybie gotowości, z możliwością automatycznego przełączania. Zbiornik paliwa jest w pełni zamknięty i spawany, bez otworów oprócz bocznych i portów rurowych, aby zapobiec wyciekom oleju hydraulicznego.

Konsola hydraulicznego systemu przechylania wykorzystuje ręczną obsługę zaworów, z zakresem kąta przechylania od 0 do 95 stopni. Działanie jest płynne, bez wstrząsów i pełzania, z regulowaną prędkością i możliwością zatrzymania w dowolnej pozycji. Taka konstrukcja jest odpowiednia do zastosowań odlewniczych wymagających precyzyjnej kontroli objętości wylewanego stopionego aluminium.

V. Konstrukcja korpusu pieca

Obudowa pieca przyjmuje konstrukcję stalową, składającą się z nieruchomej podstawy montażowej i przechylnego korpusu pieca, a ogólna konfiguracja ramy zapewnia sztywność. Stosunek średnicy do wysokości komory pieca został zoptymalizowany za pomocą analizy komputerowej, przyjmując zaawansowane międzynarodowe zasady projektowania profili pieców – zwiększony stosunek poprawia naturalny współczynnik mocy i zwiększa sprawność elektryczną.

Nad górną sekcją pieca zainstalowana jest zamknięta pokrywa do zbierania pyłu, która wychwytuje dymy i cząstki stałe powstające podczas topienia.

VI. Grafitowy tygiel i kable chłodzone wodą

Tygiel jest wykonany z grafitu, oferując dobrą zgodność chemiczną z topionym aluminium. Okres eksploatacji tygla wskazany w ofercie wynosi od 4 do 6 miesięcy, w zależności od warunków pracy, w tym metody ładowania, temperatury topnienia i praktyk usuwania żużla.

Kable chłodzone wodą są wykonane z wielożyłowego drutu miedzianego beztlenowego TU1, osłoniętego w gumowej rurze ognioodpornej o wysokiej wytrzymałości, z złączami formowanymi na zimno zapewniającymi dobrą przewodność elektryczną i wytrzymałość na rozciąganie. Strona zasilania wymaga przepływu wody chłodzącej nie mniejszego niż 12 m³/h, podczas gdy strona korpusu pieca wymaga nie mniej niż 20 m³/h. Temperatura wody wylotowej po stronie zasilania nie powinna przekraczać 35°C, a po stronie korpusu pieca nie powinna przekraczać 45°C, przy ciśnieniu wody wlotowej utrzymywanym między 0,15 a 0,35 MPa. System chłodzenia wodnego jest wyposażony w zamkniętą wieżę chłodniczą, zbiorniki na wodę i szafę sterowniczą, tworząc niezależną pętlę chłodzenia cyrkulacyjnego.

VII. Parametry wydajności procesu

Moc znamionowa wynosi 0,8 tony, z maksymalną pojemnością 0,96 tony, a znamionowa temperatura poboru wynosi 780°C. Czas topienia wynosi około 60 minut na piec, z dopuszczalnym odchyleniem ±5%. Na tej podstawie cykl od zimnego ładowania do osiągnięcia temperatury poboru wynosi około 1 godziny, co odpowiada szybkości topienia około 0,8 tony na godzinę. Przy mocy znamionowej 500 kW, jednostkowe zużycie energii wynosi około 625 kWh na tonę aluminium, co mieści się w typowym zakresie wydajności dla średniej częstotliwości pieców indukcyjnych do topienia.