I. Contesto del Progetto e Specifiche dell'Attrezzatura

Questo studio di caso riguarda un forno fusorio a induzione a media frequenza, modello WDL-KGPS-500, con una capacità nominale di 0,5 tonnellate e una capacità massima di 0,6 tonnellate, progettato per applicazioni di fusione dell'alluminio. L'attrezzatura impiega il riscaldamento a induzione a media frequenza ed è dotata di un sistema di ribaltamento idraulico per lo scarico dell'alluminio fuso.

La caratteristica di configurazione più notevole di questa attrezzatura è il suo schema di compatibilità con la rete elettrica: il lato alimentazione è alimentato a 440V/3P/60Hz, mentre la tensione di ingresso dell'alimentatore a media frequenza è specificata a 380V. Ciò significa che l'attrezzatura è destinata a regioni con rete a 60Hz (come la Corea del Sud, parti del Centro e Sud America e il Medio Oriente), richiedendo un trasformatore o un'unità di adattamento della tensione, all'interno o all'esterno del quadro di alimentazione, per abbassare la tensione di rete da 440V a 380V prima di alimentare l'alimentatore a media frequenza. Questo doppio adattamento sia di tensione che di frequenza è un parametro che deve essere confermato in anticipo durante la fase di progettazione elettrica per i progetti di esportazione.

II. Sistema di Alimentazione a Media Frequenza KGPS

Il sistema di alimentazione adotta l'alimentatore a media frequenza basato su tiristori KGPS, con una potenza nominale di 400 kW, una tensione di uscita a media frequenza di 2400 volt e una frequenza di uscita di 1000 Hz. Il fattore di potenza supera 0,9 e il tasso di successo all'avvio è del 100%. La sezione raddrizzatore è un ponte a controllo completo trifase con una struttura raddrizzatore a sei impulsi trifase e un inverter collegato in parallelo.

Il circuito di controllo impiega un'architettura di scheda digitale di ottava generazione, caratterizzata da un'ampia adattabilità di frequenza, controllo a potenza costante, avviamento dolce a frequenza spazzata a pressione zero e feedback a doppio anello chiuso di tensione-corrente. L'avviamento a frequenza spazzata a pressione zero significa che il sistema esegue una scansione automatica delle frequenze durante l'avviamento, stabilendo l'oscillazione a media frequenza una volta individuato il punto di risonanza del carico – evitando la sensibilità alle variazioni dei parametri di carico intrinseche nei metodi di avviamento a eccitazione separata.

Il sistema di protezione comprende condizioni di sovracorrente, sovratensione, sottocorrente, sottotensione, perdita d'acqua e perdita di fase. Quando un parametro di protezione supera la soglia impostata, il sistema blocca automaticamente l'uscita degli impulsi e disconnette l'alimentazione del circuito principale. Il pannello del quadro di alimentazione include letture complete di tensione, corrente e potenza, insieme a indicatori di stato operativo.

Il quadro dei condensatori fornisce compensazione parallela a media frequenza, riducendo le perdite di trasmissione di potenza reattiva sulle linee di distribuzione. La capacità del banco di condensatori è adattata alla frequenza di risonanza della bobina di induzione, garantendo un funzionamento vicino al punto di risonanza in condizioni nominali.

III. Progettazione della Bobina di Induzione e Schermatura del Giogo Magnetico

La bobina di induzione è il componente principale di conversione dell'energia, costruita in rame T2/TU1 con uno spessore di parete di 4 mm. Quando energizzata, la bobina genera un campo magnetico alternato a 1000 Hz che induce correnti parassite nella carica metallica all'interno del crogiolo del forno, generando calore. La progettazione della bobina si basa sui principi del campo elettromagnetico ed è verificata tramite software dedicati, con una deviazione tra potenza operativa effettiva e potenza di progetto controllata entro il 5%.

L'isolamento tra le spire è realizzato utilizzando tecniche di isolamento avanzate, con una tecnologia di bloccaggio dedicata che riduce le vibrazioni assiali della bobina. La parete interna della bobina è spruzzata con materiali isolanti resistenti alle alte temperature importati, ed è installato un sistema di allarme di perdita del rivestimento del forno – quando l'alluminio fuso penetra nello strato della bobina, il sistema lo rileva precocemente e segnala la condizione, prevenendo incidenti di sfondamento del forno. Uno strato refrattario di 10-15 mm di spessore è applicato sulla superficie interna della bobina, servendo sia a facilitare la costruzione del rivestimento del forno sia a prevenire la deformazione termica del rivestimento.

I gioghi magnetici sono di costruzione a profilo a falce, laminati da lamiere di acciaio al silicio laminate a freddo e bloccati con fascette in acciaio inossidabile. La superficie di contatto tra il giogo e la superficie esterna della bobina è curva, fornendo un contatto superficiale anziché un contatto lineare, ottenendo una migliore efficienza di bloccaggio e una ridotta dispersione di flusso magnetico. Le lamiere di acciaio al silicio sono rinforzate con fascette dedicate anziché con bulloni passanti, massimizzando l'area magnetica effettiva e riducendo il riscaldamento localizzato. I gioghi magnetici schermano contemporaneamente la dispersione del flusso magnetico, prevengono il riscaldamento del corpo del forno e supportano e fissano la bobina di induzione.

IV. Sistema di Ribaltamento Idraulico

Il ribaltamento del forno è azionato da un sistema idraulico con due cilindri disposti su entrambi i lati del corpo del forno per il sollevamento, con il ritorno del forno effettuato per gravità. La stazione idraulica è dotata di motori doppi e pompe doppie – una in servizio e una in standby, con capacità di commutazione automatica. Il serbatoio dell'olio è completamente chiuso e saldato per prevenire perdite di olio idraulico.

L'intervallo dell'angolo di ribaltamento è da 0 a 95 gradi, con funzionamento fluido senza urti o scatti, velocità regolabile e capacità di mantenimento in qualsiasi posizione. L'operazione di ribaltamento è controllata tramite valvole manuali, adatta per processi di colata che richiedono un controllo preciso del volume di versamento dell'alluminio fuso.

V. Stampo del Crogiolo e Formazione del Rivestimento

Un dettaglio di configurazione di questa attrezzatura è che fornisce uno stampo per crogiolo anziché un crogiolo di grafite finito. Lo stampo per crogiolo è formato da una piastra di ferro da 3 mm ed è utilizzato per controllare la forma e il posizionamento volumetrico del rivestimento refrattario durante la formazione. L'utente deve selezionare il materiale del rivestimento e il metodo di compattazione/sinterizzazione in base al metallo specifico da fondere e al processo di colata – una differenza a livello operativo dell'utente rispetto alle soluzioni che forniscono direttamente crogioli di grafite finiti. La funzione di posizionamento dello stampo per crogiolo garantisce la consistenza dimensionale della cavità del rivestimento, mantenendo così la distanza di accoppiamento tra il crogiolo del forno e la bobina di induzione stabile entro l'intervallo di progettazione.

VI. Sistema di Raffreddamento ad Acqua e Cavi di Raffreddamento

I cavi raffreddati ad acqua sono costruiti con filo di rame privo di ossigeno a trefoli multipli TU1, rivestiti in tubo di gomma ignifugo ad alta resistenza, con connettori formati a freddo che garantiscono resistenza di contatto e resistenza alla trazione. Il lato alimentazione richiede una portata d'acqua di raffreddamento non inferiore a 8 m³/h, mentre il lato corpo forno richiede non meno di 12 m³/h. La temperatura dell'acqua in uscita sul lato alimentazione non deve superare i 35°C, e sul lato corpo forno non deve superare i 45°C, con la pressione dell'acqua in ingresso mantenuta tra 0,15 e 0,35 MPa.

Il sistema di raffreddamento ad acqua impiega un metodo di raffreddamento a circolazione completamente chiuso utilizzando acqua demineralizzata come mezzo di circolazione. Il vantaggio principale della circolazione di acqua demineralizzata risiede nell'evitare danni da surriscaldamento all'alimentatore, ai tiristori, ai condensatori, ai moduli IGBT e alla bobina di induzione causati dalla deposizione di calcare; inoltre, l'acqua demineralizzata non contiene componenti conduttivi ionici, quindi i componenti di raffreddamento non saranno danneggiati dall'elettrolisi. Il sistema non richiede una vasca d'acqua o una torre di raffreddamento, occupa uno spazio minimo e ha un basso consumo di acqua di rabbocco.

Il sistema di raffreddamento è composto da tre parti: macchina principale, serbatoio dell'acqua e quadro di controllo. La macchina principale include l'alloggiamento, il refrigeratore in rame, il sistema di scarico, il sistema di spruzzatura, il separatore d'acqua, l'anello di raccolta e la pompa di spruzzatura. Il serbatoio dell'acqua include la pompa principale (una in servizio, una in standby), il serbatoio dell'acqua in acciaio inossidabile, il quadro elettrico, il sistema di controllo della temperatura e il sistema di controllo della pressione. Il quadro di controllo consente il funzionamento remoto del sistema di raffreddamento ad acqua, visualizzando la temperatura dell'acqua e consentendo l'impostazione di un funzionamento ritardato dopo l'orario di lavoro.