Системы охлаждения индукционных и электродуговых печей

1.А. Типы индукционных печей, требующие водяного охлаждения.

Индукционные печи обеспечивают выплавку различных металлов - сталей, чугуна, меди и др. В зависимости от технических условий - могут использоваться индукционные печи различных типов:

Индукционные тигельные печи - для плавки стали и чугуна, а также для плавки алюминия, меди и их сплавов. Вместо индукционных печей могут использоваться канальные печи - в связи с более высоким электрическим КПД. Однако канальные печи имеют более сложную футеровку. Поэтому, также имеются индукционные печи кольцевого типа - обладающие преимуществами тигельных и канальных печей.

Индукционные вакуумные печи - для плавки стали и жаропрочных сплавов периодического действия, для плавки стали полунепрерывного действия, для плавки меди и её сплавов.

ТОО «ЭнергоПро» производит охлаждающее оборудование, предусмотренное для охлаждения металлургических индукционных печей любого типа:

• охлаждение тигельных индукционных печей;
• охлаждение канальных индукционных печей;
• охлаждение кольцевых индукционных печей;
• охлаждение вакуумных индукционных печей.

Ниже представлены два варианта схемы системы охлаждения индукционных печей.

1.Б. Виды охлаждения печей: Одноконтурная схема охлаждения индукционных печей.

Один из видов охлаждения печей - одноконтурная схема охлаждения. В данном варианте вода, охлаждённая в испарительной градирне, поступает напрямую в элементы охлаждения печи (индуктор, шкафы управления, трансформатор):

Важно отметить, что производители печей зачастую требуют достаточно низкой температуры охлаждаемой воды - не более 35 градусов. Такую температуру охлаждения невозможно получить используя радиаторное охлаждение (с помощью драйкулеров - сухих градирен). Наиболее эффективным и оптимальным по финансовым затратам является использование открытых испарительных градирен, которые стабильно могут обеспечить как температуру воды 35 градусов на входе в печи, так и 30, и 25 градусов. Также возможно использовать чиллеры, однако стоимость охлаждения на базе чиллеров будет в разы дороже. Наиболее распространёнными и оптимальными температурами охлаждения воды в градирнях для индукционных печей являются 30 градусов на выходе из градирни и 45 градусов на входе в градирню. Такие температуры обеспечивают полноценное охлаждение элементов печи (с запасом) и при этом градирни оказываются оптимальными по габаритам и по стоимости.

У одноконтурной системы охлаждения металлургических печей на базе испарительных градирен имеется нюанс - это риски солевых и биологических отложений, так как контур является открытым для контакта с атмосферным воздухом - в связи с этим может происходить развитие биологического обрастания, а испарительная градирня осуществляет выпаривание дистиллированной составляющей воды, что может приводить к росту солесодержания в воде и образованию накипи.

Чтобы этого избежать - необходимо осуществлять контроль за состоянием качества воды - автоматические замеры солесодержания воды и подмешивание свежей воды, а в отдельных случаях - дозирование ингибиторов накипи и биоцидов. Специалисты ТОО «ЭнергоПро» предоставят Вам консультацию по применению таких решений:

Системы контроля качества воды EnergoPro

Чтобы не осуществлять контроль за качеством воды во всей системе - включая элементы индукционной печи - возможно использование другого вида охлаждения - двухконтурной системы охлаждения:

1.1.Б. Виды охлаждения печей: Двухконтурная схема охлаждения индукционных печей.

В данном варианте вода, охлаждённая в испарительной градирне, поступает на промежуточный теплообменник/теплообменники, в которых происходит охлаждение воды внутреннего контура - циркулирующей через элементы охлаждения печи (индуктор, шкафы управления, трансформатор):

У двухконтурной схемы охлаждения плавильных печей имеется ряд особенностей по сравнению с одноконтурной системой:

• Основное преимущество - вода, циркулирующая через элементы индукционной печи, находится в закрытом контуре, не подвержена возможному загрязнению, не требует такого контроля по качеству воды.
• Недостаток - требуется дополнительная насосная станция
• Недостаток - требуются промежуточные теплообменники. Это дополнительные расходы и дополнительные элементы для обслуживания
• Недостаток - требуется дополнительная насосная станция
• Недостаток - в градирнях необходимо охлаждать воду до более низких температур по сравнению с одноконтурной системой, соответственно, градирни будут больше и дороже

Двухконтурная система может быть также реализована на базе закрытых испарительных градирен, имеющих уже в своей конструкции встроенные трубчатые теплообменники.

Выбор вида охлаждения печи - одноконтурной или двухконтурной системы - остаётся за Заказчиком, учитывая наиболее подходящие для него преимущества одного или другого варианта. Специалисты «ЭнергоПро» готовы осуществить изготовление градирен, насосных станций, систем автоматики, а также выполнить проектные и монтажные работы. Ссылки на оборудование EnergoPro для подбора для Вашего проекта:

Открытые испарительные градирни

Закрытые испарительные градирни

Помимо вышеуказанных схем рекомендуется также использование ёмкости для сбора нагретой воды вместо прямой подачи на охлаждающее оборудование. Такая ёмкость будет выполнять функцию отстойника для крупных загрязнений. Либо рекомендуется использование фильтрующих элементов перед подачей обратной (нагретой) воды на градирни.

1.В. Конструктивные особенности охлаждаемых элементов индукционных печей.

Для охлаждения индуктора печи охлаждающая вода подаётся в медные трубки прямоугольного или круглого сечения, из которых непосредственно выполняется конструкция индуктора.

Ниже представлены стандартные варианты профилей охлаждающих трубок:

При этом, со стороны тигеля толщина стенки трубки может быть больше.

Важно отметить, что расход охлаждающей воды должен учитывать как тепло, выделяющееся в индукторе за счёт электрического нагрева, но также и тепловые потери через корпус самого тигеля. Для этого система охлаждения индуктора может выполняться в виде нескольких параллельных ветвей.

Фланцы крышки и горловины тигельной печи также охлаждаются водой, так как имеют резиновые прокладки, которые необходимо защищать от перегрева.

Чтобы предотвращать отложение солей, накипи на внутренние поверхности системы охлаждения индукционной печи - очень важно обеспечивать необходимые параметры по температуре охлаждаемой воды, а также по параметрам химсостава охлаждающей воды. Повышение температуры охлаждаемой воды приводит к повышению интенсивности образования накипи, что в результате приведёт к нарушению параметров охлаждения и постепенному выходу элементов индуктора из строя. Аналогично, негативным образом может влиять несоответствие химсостава воды.

Специалисты ТОО «ЭнергоПро» проконсультируют, каким образом обеспечивать необходимые параметры. Ниже в статье представлена информация о вариантах охлаждающего оборудования для печей, которые могут обеспечивать разные температуры охлаждения.

2.А. Основные типы электродуговых печей.

Наряду с индукционными печами - электродуговые печи также широко используются на металлургических заводах. Электродуговые печи имеют преимущества по возможности переработки практически любого лома, несмотря на больший угар металла в печи.

Ниже представлены основные варианты электродуговых печей:

• Электродуговые печи косвенного действия. В таких печах отсутствует прямой контакт дуги и шихтой - то есть ломом металла. Дуга горит над расплавляемым металлом. В результате нагрев металла осуществляется излучением и конвекцией от дуги. То есть - косвенно. Данная, косвенная технология определяется ограничения на возможность выплавки некоторых сплавов, которые требуют более высокой температуры плавки и мощности.
• Электродуговые печи прямого действия. В таких печах дуга воздействует непосредственно на металл для его расплавления. Сверху печи расположены электроды, которые обеспечивают функционирование дуги. Металл нагревается от протекания тока через металл, а также от косвенных воздействий дуги. Производительность у печей прямого действия выше, чем у печей косвенного действия, поэтому, данные печи могут расплавлять тугоплавкие металлы - в том числе, конструкционные и высоколегированные стали. К печам прямого действия также относятся вакуумные электродуговые печи. В вакуумных дуговых печах получают материалы высокой чистоты, имеющие малое содержание газов и неметаллических примесей. При этом масса готовых слитков может превышать 50 тонн.
• Электродуговые печи сопротивления (также называются печами резистивного нагрева). В таких печах дуга возникает непосредственно в шихте. Электроды большого размера располагаются вертикально. За счёт этого - печь сопротивления обладает высокими значениями тока и мощности и очень высокой температурой нагрева. В результате печи сопротивления используются для плавки силит-кальциевых плит, никелевых и базальтовых матов, абразивов, карбидов и различных железных сплавов.
• Плазменно-дуговые плавильные печи. В таких печах на шихту воздействует не только электрическая дуга, но и плазма инертного газа. Нейтральная атмосфера выплавки с низким содержанием кислорода обеспечивает максимальный выход газа и чистоту металла, а воздействие плазмы - высокую скорость плавки.

2.Б. Элементы электродуговой печи, требующие охлаждения.

Специфика охлаждения электродуговых печей по сравнению с индукционными заключается в том, что электродуговые печи не имеют индуктора и, соответственно, не требуют его охлаждения. Однако, электродуговым печам необходимо водяное охлаждение самого корпуса печи, а также множества других элементов:

• экономайзеры;
• рукава электрододержателей;
• графитовые электроды;
• кислородная фурма;
• патрубок газоотвода;
• токоведущие трубы и гибкие кабели вторичного токоподвода;
• корпус - стены, свод, арка и заслонка рабочего окна

2.В. Требования к параметрам охлаждающей воды.

Важно, чтобы температура охлаждающей воды после прохождения через вышеуказанные элементы дуговой печи не нагревалась выше 50 градусов. В таком случае не будет происходить повышенного образования накипи на теплообменных поверхностях, а значит - не будет ухудшения эффекта охлаждения. Для обеспечения таких параметров температура охлаждающей воды на входе в элементы электродуговой печи должна быть значительно ниже, чем температура на выходе. Рекомендуется, чтобы данная температура была в диапазоне 25-30 градусов. Это принципиальным образом влияет на скорость охлаждения печи и на продление срока службы её элементов.

Также важно отметить, что часть элементов требует охлаждения химически очищенной водой, а именно - гибкие кабели и токоведущие трубы вторичного токоподвода.

2.Г. Испарительное охлаждение графитовых электродов.

Отдельно стоит отметить рекомендацию по использованию испарительного охлаждения графитовых электродов, когда на корпус электрода разбрызгивается вода. Ниже представлен вариант исполнения с кольцом и вертикальными распределительными трубками:

1 – труба подачи воды;

2 – форсунки для разбрызгивания воды;

3 – графитированный электрод;

4 – разбрызгивающее кольцо.

Такое решение обеспечивает эффективное охлаждение электрода и предотвращает его термическое разрушение по большей части высоты его конструкции. Наличие системы испарительного охлаждения электродов значительным образом снижает расходы предприятия на их замену, которые могут доходить до 15% от общего объёма себестоимости.

2.Д. Охлаждение корпуса электродуговой печи.

Охлаждающая вода поступает на трубки охлаждения, расположенные как в стенах печи, так и в крышке (куполообразном своде).

В стенах электродуговой печи располагаются трубки охлаждения в виде каркаса (поз. 4, 5 и 6):

Также могут использоваться водоохлаждаемые стеновые панели, выполненные из близко расположенных трубок, которые обеспечивают большую площадь охлаждения:

Для равномерного и интенсивного охлаждения в сводах (крышках) электродуговых печей предусмотрен каркас из охлаждающих трубок (позиции 4, 5 и 6), а также трубчатые водоохлаждаемые панели (позиция 7):

Расчёт охлаждения печи должен основываться на следующих этапах:

• Получение требований по охлаждению от завода-изготовителя печи (должны быть указаны требуемый расход охлаждающей воды; требуемая температура охлаждающей воды на входе в элементы печи; перепад температуры - насколько нагревается температура воды в элементах печи; потери гидравлического давления)
• На базе этих параметров должен быть добавлен запас по температуре охлаждения
• Должна быть выбрана схема охлаждения - одноконтурная, двухконтурная, с баком сбора нагретой воды или без бака
• Должны быть определены расчётные параметры наружного воздуха - температура и влажность в жаркий период года (летом) и в холодный период года (зимой)
• Должно быть предварительно определено место расположения охлаждающего оборудования
• Должен быть определён тип охлаждающего оборудования - испарительные открытые градирни / испарительные закрытые градирни / чиллеры / драйкулеры

Во всех вышеуказанных этапах, а также на этапе проектирования - Вам готовы помочь специалисты ТОО «ЭнергоПро», имеющие опыт реализации систем охлаждения для печей на различных металлургических предприятиях.