I. Tło projektu i specyfikacje sprzętu

Niniejsze studium przypadku dotyczy średniej częstotliwości pieca indukcyjnego do topienia, model WDL-KGPS-1000, o mocy znamionowej 1 tony i maksymalnej pojemności 1,2 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.

W porównaniu do pieca o pojemności 0,8 tony z poprzedniego studium przypadku, to urządzenie posiada korpus pieca zaprojektowany na maksymalną pojemność 1,2 tony, ze zwiększoną mocą znamionową zasilacza do 600 kW przy zachowaniu tej samej częstotliwości wyjściowej 1000 Hz. Taka konfiguracja – z mocą nieco przekraczającą znamionowe zapotrzebowanie pieca – zapewnia margines dla zwiększenia szybkości topienia.

II. System zasilania średniej częstotliwości KGPS

System zasilania wykorzystuje tyrystorowy zasilacz średniej częstotliwości KGPS, o mocy znamionowej 600 kW, napięciu wyjściowym średniej częstotliwości 1500 V i częstotliwości wyjściowej 1000 Hz. Współczynnik mocy przekracza 0,9, a wskaźnik sukcesu rozruchu wynosi 100%. Sekcja prostownika to trójfazowy mostek pełnostabilizowany, z obwodem sterowania wykorzystującym architekturę cyfrowej płyty sterującej ósmej generacji.

Podstawowe funkcje sterowania obejmują sterowanie stałą mocą, miękki start z zerowym ciśnieniem i zmienną częstotliwością oraz sprzężenie zwrotne napięcia i prądu w podwójnej pętli. Rozruch z zerowym ciśnieniem i zmienną częstotliwością oznacza, że system automatycznie skanuje od wysokiej częstotliwości w dół podczas rozruchu, ustanawiając oscylacje średniej częstotliwości po znalezieniu punktu rezonansowego obciążenia – podejście to pozwala uniknąć wrażliwości na zmiany parametrów obciążenia, które są nieodłączne w tradycyjnych metodach rozruchu z oddzielnym wzbudzeniem.

System ochrony obejmuje warunki przetężenia, przepięcia, niedociążenia, podnapięcia, utraty wody i zaniku fazy. Gdy jakikolwiek parametr ochrony przekroczy ustawiony próg, system automatycznie blokuje wyjście impulsowe i odłącza zasilanie obwodu głównego. Szafa zasilająca zawiera pełne odczyty napięcia, prądu i mocy wraz ze wskaźnikami stanu.

Szafa kondensatorów zapewnia równoległą kompensację średniej częstotliwości, zmniejszając straty mocy biernej w liniach dystrybucyjnych i poprawiając współczynnik mocy systemu. Pojemność banku kondensatorów jest dopasowana do częstotliwości rezonansowej cewki indukcyjnej, zapewniając pracę w pobliżu punktu rezonansowego w warunkach znamionowych.

III. Konstrukcja cewki indukcyjnej i ekranowanie jarzma magnetycznego

Cewka indukcyjna jest kluczowym elementem konwersji energii, wykonanym z miedzi T2 o grubości ścianki 5 mm. Po podłączeniu zasilania cewka generuje zmienne pole magnetyczne o częstotliwości 1000 Hz, które indukuje prądy wirowe w ładunku metalowym w palenisku pieca, generując ciepło. Konstrukcja cewki opiera się na zasadach pola elektromagnetycznego i jest weryfikowana za pomocą dedykowanego oprogramowania komputerowego, z odchyleniem między rzeczywistą mocą roboczą a mocą projektową kontrolowanym w granicach 5%.

Izolacja międzyzwojowa jest wykonywana przy użyciu zaawansowanych technik izolacyjnych, z dedykowaną technologią mocowania zmniejszającą wibracje osiowe cewki. Wewnętrzna ściana cewki jest natryskiwana importowanymi materiałami izolacyjnymi odpornymi na wysokie temperatury, a system alarmowy wycieku wyłożenia pieca jest zainstalowany – gdy stopiony aluminium przeniknie do warstwy cewki, system alarmowy wykrywa to wcześnie i sygnalizuje stan, zapobiegając incydentom przebicia pieca.

Na wewnętrznej powierzchni cewki nanoszona jest powłoka ogniotrwała o grubości od 10 do 15 mm. Powłoka ta 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 stalowych listew ze stali nierdzewnej. Powierzchnia styku między jarzmem a zewnętrzną powierzchnią cewki jest zakrzywiona, zapewniając kontakt powierzchniowy zamiast liniowego, co zapewnia lepszą wydajność mocowania i zmniejsza wyciek strumienia magnetycznego. Blachy stalowe krzemowe są wzmocnione dedykowanymi listwami zamiast śrub przelotowych, maksymalizując efektywny obszar magnetyczny i zmniejszając lokalne nagrzewanie. Jarzma magnetyczne jednocześnie ekranują wyciek strumienia magnetycznego, zapobiegają nagrzewaniu korpusu pieca oraz podtrzymują i mocują cewkę indukcyjną.

IV. Hydrauliczny system przechylania

Przechylanie pieca jest napędzane przez system hydrauliczny z dwoma siłownikami rozmieszczonymi po obu stronach korpusu pieca do podnoszenia, a powrót pieca odbywa się grawitacyjnie. Stacja hydrauliczna jest wyposażona w podwójne silniki i podwójne pompy – jedna w użyciu, druga w trybie gotowości, z możliwością automatycznego przełączania. Zbiornik paliwa jest w pełni zamknięty i spawany, aby zapobiec wyciekom oleju hydraulicznego.

Zakres kąta przechylania wynosi od 0 do 95 stopni, z płynną pracą bez wstrząsów i pełzania, regulowaną prędkością i możliwością zatrzymania w dowolnej pozycji. Operacja przechylania jest sterowana za pomocą zaworów ręcznych, co jest odpowiednie dla procesów odlewania wymagających precyzyjnej kontroli objętości wylewanego stopionego aluminium.

V. Konstrukcja korpusu pieca

Obudowa pieca przyjmuje konstrukcję stalową, składającą się ze stałej podstawy montażowej i przechylnego korpusu pieca, a ogólna konfiguracja ramy zapewnia sztywność. Stosunek średnicy paleniska do wysokości został zoptymalizowany za pomocą analizy komputerowej – zwiększony stosunek poprawia naturalny współczynnik mocy i zwiększa wydajność elektryczną.

Korpus pieca jest zaprojektowany z pojemnością wyłożenia 3000 kg do topienia 1000 kg aluminium, co oznacza, że objętość paleniska ma znaczący margines w stosunku do mocy znamionowej, ułatwiając operacje ładowania i zmniejszając ryzyko rozlania.

VI. Grafitowy tygiel i system chłodzenia wodnego

Tygiel jest wykonany z grafitu, z zalecanym okresem eksploatacji od 4 do 6 miesięcy, w zależności od warunków pracy, w tym metody ładowania, zakresu utrzymywania temperatury topnienia i częstotliwości usuwania żużla.

Kable chłodzone wodą są wykonane z wielożyłowego drutu miedzianego beztlenowego TU1, osłoniętego gumową rurką ognioodporną o wysokiej wytrzymałości, z złączami formowanymi na zimno. Strona zasilania wymaga przepływu wody chłodzącej nie mniejszego niż 12 m³/h, podczas gdy strona korpusu pieca wymaga nie mniej niż 22 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.