Расчет индукционной тигельной печи

Обновлено: 05.07.2024

Расчет индукционной тигельной печи

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. Электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую. При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнитных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положительное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Работа содержит 1 файл

Записка.docx

Индукционной печью называется часть индукционной установки, включающая индуктор, каркас, камеру для плавки, а также механизмы наклона печи, вакуумную систему и т.п.

В отличие от вагранок и дуговых печей плавка в индукционных печах является более эффективной. Плавка в индукционных печах, как правило, ведётся с загрузкой шихты в жидкий металл, оставшийся после предыдущей плавки. В связи с этим нагрев и расплавление шихты связаны с растворением её компонентов в жидком металле, которое сопровождается массопереносом между фазами и поглощение теплоты не только на нагрев, но и на растворение.

Также в индукционных печах выгоднее использовать низкокремнистые шихтовые материалы, а содержание кремния доводить до требуемого при помощи ферросплавов.

В данной работе выполняется расчёт тигельной индукционной печи для плавки чугуна, ёмкостью – 10 т.

1.1 Индукционная тигельная печь

Индукционная тигельная печь (ИТП), которую иначе называют индукционной печью без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, и, поглощая электромагнитную энергию, плавится.

1 – пакеты трансформаторной стали, образующие внешний магнитопровод; 2 – изолирующие прокладки; 3 – индуктор; 4 – нажимные болты a_м- высота пакета магнитопровода, м; a₁- высота индуктора, м; D_м- внутренний диаметр магнитопровода, м; D₁- внутренний диаметр индуктора, м.

Рис. 1.1 Индукционная тигельная печь с магнитопроводом

Индукционная плавильная тигельная печь (рисунок 1.1) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором . Поскольку загрузка нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель — сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящими тиглем.

Индуктор и футеровка, основной частью которой является тигель, укрепляются в корпусе печи. Конструктивные детали корпуса располагаются вне индуктора на небольшом расстоянии от него, т. е. в области, пронизываемой магнитным потоком индуктора на пути его обратного замыкания. Поэтому в металлических деталях корпуса могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев.

Для уменьшения потерь в корпусе у печей небольшой емкости основные детали корпуса изготавливаются из непроводящих материалов. Возможно также удаление металлических узлов корпуса на бо́льшее расстояние от индуктора, в область более слабого поля.

Однако такое конструктивное решение приводит к резкому увеличению габаритов печи и потому приемлемо лишь для печей самой малой емкости. У печей значительной емкости приходится узлы несущей конструкции защищать от внешнего поля индуктора. Для защиты используют магнитопровод в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удельным сопротивлением; потери в таком экране невелики.

Таким образом, в соответствии с методом снижения потерь в корпусе индукционные тигельные печи делятся на три класса:

б) с магнитопроводом;

в) с электромагнитным экраном.

Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц; с уменьшением емкости печи частота тока должна повышаться, чтобы сохранилось соотношение между глубиной проникновения тока и диаметром загрузки, обеспечивающее высокий КПД индуктора.

По частоте питающего тока индукционные тигельные печи можно классифицировать следующим образом:

а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;

б) работающие на частоте 500—10000 Гц с питанием от вентильных или машинных преобразователей частоты;

в) работающие на частотах 150 и 250 Гц с питанием от статических умножителей частоты;

г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети; при значительной мощности –оборудованные симметрирующими устройствами.

Керамический тигель индукционной тигельной печи имеет простейшую форму и надежен в эксплуатации. По этой причине тигельная печь является самым распространенным типом индукционной печи.

Принцип работы всех тигельных печей одинаков и соответственно одинаково их назначение. Разнообразие применения определяет и различие конструктивных форм.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ ПЕЧИ

2.1 Конструкция печи

Уровень развития современной техники предъявляет высокие требования к металлам и сплавам, удовлетворить которые могут лишь металлы и сплавы, полученные в процессе электроплавки.

Наибольшее распространение получили электрические индукционные печи промышленной частоты.

В зависимости от назначения индукционные печи подразделяются на индукционные тигельные – ИЧТ (индукционная чугунная тигельная), тигельные печи-миксеры – ИЧТМ (индукционная чугунная тигельная-миксер) и канальные миксеры– ИЧКМ (индукционная чугунная канальная-миксер).

Стоимость индукционных печей и современных вагранок практически одинакова, но срок окупаемости индукционных печей приблизительно в два раза меньше за счет более низкой стоимости шихтовых материалов и самих отливок.

Тигельные индукционные печи. Индукционные тигельные печи и миксеры промышленной частоты работают по принципу трансформатора без железного сердечника, первичной обмоткой которого является многовитковая катушка – индуктор, вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – расплавляемый металл.

Тигельные индукционные печи, имеющие значительную удельную мощность, применяются для плавки, а миксеры применяются для сохранения температуры и доводки металла по химическому составу; при необходимости металл в миксере может быть перегрет на 100°.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии металлической шихтой, которая заложена в тигель, помещенный в переменное магнитное поле. Нагрев и расплавление шихты происходят в результате наведения электрического тока и выделения тепла в кусках шихты.

Рисунок 1.1 - Индукционная тигельная печь для плавки чугуна

На рисунке 1.1 представлена индукционная тигельная печь (ИЧТ) промышленной частоты емкостью 6 т. Она состоит из следующих основных узлов: металлического каркаса 1, тигля 3, индуктора 2, крышки с механизмами подъема 6, рабочей площадки 7, токо- и водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас 1 печи представляет собой сварную конструкцию, выполненную из листовой стали. Жесткость каркаса обеспечивается ребрами жесткости, равномерно расположенными по диаметру обечайки. Каркас усилен средним поясом, несущим ось вращения печи, который выполнен в виде коробки из листовой стали. Под сливным носиком 5 расположена ось 4 поворота печи. Ось крепится в подшипниках, установленных на колоннах,

Печь имеет гидравлический механизм наклона, состоящий из маслонапорной установки, аппаратуры гидропровода и двух плунжеров. Посредством гидравлического механизма осуществляется наклон печи в одну сторону на любой угол до 100° для выдачи металла.

Главной частью печи является индуктор 2, представляющий собой медную профилированную водоохлаждаемую трубку. Катушки индуктора изолированы стеклолентой и микалентой; во избежание осевого перемещения индуктора он зафиксирован специальными прижимами из немагнитного материала. Индуктор печи окружен венцом из стальных пакетов, которые вместе с прижимами создают надежное крепление индуктора, что особенно важно при наклоне печи.

Воротник печи вместе с рабочей площадкой 7 составляют съемную сварную конструкцию. Воротник футеруется шамотными кирпичами, а для отвода дымовых газов в нем предусмотрен канал, расположенный непосредственно под площадкой.

Плавильным пространством печи является тигель 3, выполняемый обычно набивкой непосредственно в самой печи. В качестве набивочных материалов для изготовления тигля применяют кислые, основные и нейтральные огнеупорные массы.

Рабочее пространство печи закрывается крышкой 6 из немагнитной стали, футерованной изнутри огнеупорным бетоном и теплоизолирующим материалом. Крышка снабжена механизмом подъема и поворота с ручным приводом рычажного типа. Загрузка шихты в печь производится сверху.

Токоподвод к печи осуществляется гибкими водоохлаждаемыми кабелями. Регулирование мощности печи производится автоматически регулятором электрического режима. Для управления наклоном печи предусмотрен пульт управления.

Футеровка тигельных печей. Плавильное пространство индукционной печи выполняется в виде тигля, изготовляемого из специальной огнеупорной массы. Операции набивки тигля должны выполняться с особой тщательностью и с применением химически чистых материалов. Высокие требования к качеству изготовления тигля объясняются тем, что тигель работает в неблагоприятных условиях: внутренняя поверхность тигля обогревается жидким металлом и имеет его температуру, а наружная поверхность соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Помимо этого, обычно в металлургических печах футеровка выполняется в кожухе печи. Здесь же все усилия, возникающие в процессе плавки, воспринимаются свободно стоящим тиглем.

Для футеровки индукционных тигельных печей применяется кварцевый песок либо молотый кварцит. В качестве связующей добавки применяют борную кислоту, которая является плавнем и обеспечивает быстрое спекание футеровки.

Технология выполнения футеровки включает следующие операции: подготовку материалов; заливку подины жароупорным бетоном; приготовление футеровочной массы; набивку тигля; спекание тигля; выкладку воротника; футеровку крышки.

Кварцевый песок (либо молотый кварцит) должен содержать менее 95% двуокиси кремния (Si0₂). Песок должен содержать более 0,25–0,50% остаточной влаги, и для предупреждения включений железа подвергается магнитной сепарации. Затем песок рассеивают на фракции: 2–3 мм – 35%; 1 – 0,75 мм – 20% и менее 0,75 мм – 45%.

Потребное количество песка каждой фракции засыпают в тщательно очищенный смеситель, где песок перемешивается в течении 10–15 мин, затем добавляют борную кислоту в количестве 2–2,5%, и смесь перемешивается еще 10 мин. Приготовленная таким образом масса должна быть сразу использована. В случае приготовления массы впрок смешанные фракции песка упаковывают в мешки и хранят в сухом месте, а борную кислоту вводят перед употреблением массы.

Для футеровки подины (9 на рисунке 1.1) и крышки печи применяется жаропрочный бетон приведенного ниже состава (в кг на м 3 бетона).

3. Расчет индукционных тигельных печей

Задание на проектирование индукционной тигельной печи должно содержать следующие данные:

1) наименование расплавляемого металла или марку сплава и его состав, конфигурацию и характерные размеры кусков шихты;

2) исходную температуру загружаемой шихты Т ш и конечную температуру перегрева расплава Т к ;

3) теплофизические свойства переплавляемого металла: температуру плав-

ления металла (сплава) Т пл ; плотность шихты γ ш и расплавленного металла γ 2 ; удельное электросопротивление шихты ρ ш в диапазоне температур (Т ш – Т пл ) –

ρ ш и расплавленного металла ρ 2 при температуре Т к ; среднюю теплоемкость металла с ш в диапазоне температур (Т ш – Т пл ) и теплоемкость расплава с ж в диапазоне (Т пл - Т к ); скрытую теплоту плавления q пл ; магнитную проницаемость исходной шихты μ ш или кривую намагничивания В = f (Н);

4) емкость тигля G или производительность печи g (часовую производи-

тельность по расплавлению и перегреву g пл или суточную производительность g с );

5) циклограмму процесса плавки и технологической обработки металла в

печи или следующие данные:

длительность процесса плавки и перегрева металла до конечной темпера-

туры τ пл ; длительность вспомогательных операций (загрузки, выгрузки, скачивания

шлака, технологической обработки и т. и.) τ всп ;

6) особенности технологического процесса – указывается, должен ли процесс идти на твердой загрузке с полным сливом металла из тигля или допус-

кается плавка с остаточной емкостью тигля G 0 . В последнем случае уточняется объем металла, сливаемого из тигля единовременно G сл ;

7) параметры питающей сети (в частности, напряжение и мощность подстанции, к которой предполагается подключить печь). Данные питающей сети необходимы для выбора силового трансформатора или двигателя преобразователя частоты, а также для определения допустимости подключения однофазной печи к трехфазной сети напрямую или необходимости подключения ее через симметрирующее устройство, обеспечивающее равномерное распределение нагрузки по фазам.

Задачей расчета является определение основных геометрических размеров, тепловых и электрических параметров печи, параметров системы охлаждения, выбор частоты источника питания, а также определение энергетических характеристик проектируемой печи. В общем случае выполняются также расчеты на

прочность элементов конструкций и механизма наклона печи (здесь не рассматриваются).

В соответствии с изложенным, обычно придерживаются следующего порядка расчета: выбирают частоту источника питания, определяют емкость тигля и геометрию системы индуктор – садка, выполняют тепловой расчет печи и находят необходимою мощность и тепловой к. п. д. печи, выполняют электрический расчет печи и определяют параметры индуктора и магнитопроводов, параметры системы охлаждения индуктора и энергетические характеристики печи.

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ В СИСТЕМЕ ИНДУКТОР – ЗАГРУЗКА И ВЫБОР ЧАСТОТЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Задачей расчета является определение основных размеров системы индуктор – загрузка (рис. 3.1) и минимальной частоты тока.

1. Емкость тигля печи определяется величиной единовременного слива металла из тигля G сл и величиной остаточной емкости тигля («болота») G 0 , которые в свою очередь зависят от технологии процесса и требуемой производительности печи. В общем случае

КОНСТРУКЦИИ, ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Марширов И.В., Головичев А.И. Конструкции, особенности работы и расчет индукционных тигельных печей: Учебное пособие по курсу «Печи литейных цехов» для студентов специальности 150204 – "Машины и технология литейного производства" / Алт. гос. техн ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Из-во АлтГТУ, 2006 – 68 с.

Изложены особенности конструкций и работы индукционных тигельных печей. Приведена методика расчета основных конструктивных параметров. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150204 – "Машины и технология литейного производства" при изучении курса «Печи литейных цехов».

Рассмотрено и одобрено на засдании кафедры «Машины и технология литейного производства» (протокол №11от 07.06.2006 г.)

3. Электрический расчет индукционной тигельной печи

В данной главе приводятся последовательность инженерного электрического расчета с элементами расчета по [2, 3, 6, 7] индукционной тигельной печи и примеры расчета по отдельным этапам.

Для проведения электрического расчета в качестве исходных данных необходимо знать:

наименование расплавляемого металла или марку сплава и его состав;

конфигурацию и характерные размеры кусков шихты;

исходную температуру загружаемой шихты, для ферромагнитных материалов – температуру точки Кюри, температуру плавления и температуру разливки;

удельные электросопротивления шихты для вышеуказанных температур;

теплосодержание или энтальпию, теплоемкость и скрытую теплоту плавления металла или сплава для вышеуказанных температур;

длительность процесса плавки;

длительность вспомогательных операций;

параметры питающей сети.

3.1. Расчет мощности индукционной тигельной печи

Полезная мощность ИТП определяется по выражению [3, 7]

, Вт, (3.1)

где - теплосодержание расплавляемого металла или сплава при температуре разливки, Дж/кг;

- емкость печи, т;

- время плавки, ч.

Если известна энтальпия металла или сплава при температуре разливки, то полезная мощность ИТП определяется по выражению [2, 6]

, кВт. (3.2)

В этом выражении измеряется в;измеряется в килограммах;измеряется в часах.

Суммарные тепловые потери составляют% полезной мощности печи, причем меньшая цифра относится к печам большей емкости. Термический КПД () индукционной тигельной печи обычно составляет% и определяется по выражению

. (3.3)

Активная мощность , передаваемая в загрузку (садку) ИТП определяется по выражению

, Вт. (3.4)

Активная мощность ИТП ориентировочно определяется по выражению

, Вт, (3.5)

где - электрический КПД индуктора ИТП. Значениеможет составлять% [2, 7]. Это значение тем выше, чем больше удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава. По данным [6], при плавке алюминия, при плавке чугуна и стали.

Мощность источника питания должна быть несколько больше (на%) активной мощности. Это связано с тем, что источник питания должен покрывать потерив токоподводе и в конденсаторах.

Мощность источника питания определяется по выражению

. (3.6)

После определения ориентировочной мощности печной установки и выбора частоты тока производится подбор источника питания.

ПРИМЕР 1

Рассчитать мощность источника питанияиндукционной тигельной печи емкостьют.

Печь предназначена для плавки стали, имеющей следующие характеристики:

температура разливки С;

плотность при температуре разливки кг/м 3 ;

теплосодержание при температуре разливки [7] Дж/кг;

энтальпия при температуре разливки [6] кВтч/кг;

удельное сопротивление стали в холодном состоянии Омм;

удельное сопротивление стали при температуре потери магнитных свойств Омм;

удельное сопротивление стали перед сплавлением кусков шихты Омм;

удельное сопротивление стали при температуре разливки Омм.

Плавка стали производится без рафинирования, режим работы – на твердой завалке. Время плавки ч. Средний диаметр кусков шихтым.

В приложении 1 приведены удельные сопротивления в жидком состоянии.

Полезная мощность ИТП, рассчитываемая по (3.1),

Вт.

Полезная мощность ИТП, рассчитываемая по (3.2),

кВт.

Для последующих расчетов принимаютсякВт, тепловые потерикВт (% от полезной мощности).

Активная мощность , передаваемая в загрузку, определяется по (3.4)

кВт.

Термический КПД индукционной тигельной печи находится по (3.3)

Активная мощность печи при электрическом КПД рассчитывается по (3.5)

кВт.

Мощность источника питания с учетом потерь в токоподводе и в конденсаторной батарее определяем по (3.6).

Принимаем мощность потерь кВт (% от активной мощности печи).

кВт.

Расчет и проектирование индукционных тигельных печей

Конструкция индукционных тигельных печей. Технологический процесс плавки металла. Расчет геометрических размеров рабочего пространства и футеровки печи. Описание назначения основных элементов газоочистки производственного оборудования и их эскизы.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	01.04.2017
Размер файла	894,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Для плавки металла на твердой завалке широко применяют тигельные индукционные печи. Такие печи удобны в эксплуатации, область их применения за последнее время значительно расширилась.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. С этой точки зрения эти печи - наиболее совершенный тип электрических печей.

Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических эффектов, возникающих в кольце металла вокруг индуктора, удельная мощность канальных печей ограничивается определенными пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах.

Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнитных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положительное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бессердечниковыеиндукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку).

1. ОПИСАНИЕ НАЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧИ

Индукционные печи - это установки, в которых применяется индукционный нагрев для плавки металлов (или других материалов).

Современная индукционная тигельная печь (рис. 1.1) состоит из следующих основных конструктивных элементов: корпуса с ферромагнитным или электромагнитным экраном, подины, крышки и слоя тепловой изоляции, индуктора с водяным охлаждением, изготовляемого из полой медной трубки, огнеупорной футеровки, вспомогательных устройств (механизма наклона печи, механизма поворота свода, контактного устройства).

Рисунок 1.1 Индукционная тигельная печь: а) - средней емкости (до 1т); б) - большой емкости (свыше 1 т); 1- футеровка; 2 - сигнализатор контроля состояния тигля; 3 - индуктор; 4 - корпус; 5 - свод; 6 - механизм подъема и поворота свода; 7 - внешний магнитопровод; 8 - механизм наклона печи

Основой индукционной печи, объединяющей отдельные ее элементы в единое целое, является корпус. Его металлические части, находящиеся во внешнем магнитном поле индуктора, поглощают часть его активной мощности и нагреваются. Для снижения электрических потерь корпус печи изготовляют из немагнитных материалов. В печах малой мощности (до 1тонны) используют дерево или асбоцемент, соединяемые при помощи немагнитных крепежных изделий (латунные шпильки, накладки и т.д.). Корпуса печей большей емкости изготовляют полностью из немагнитной стали, меди, бронзы или алюминия в виде конструкций, не образующих замкнутых контуров.

Дальнейшее уменьшение электрических потерь внутри корпуса может быть достигнуто либо увеличением размеров корпуса печи, либо путем установки между корпусом печи и индуктором дополнительного магнитопровода (электрический экран), выполненного в виде металлической вставки из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением.

Для существенного снижения величины электрических потерь в корпусе печи можно использовать электромагнитный экран в виде замкнутого цилиндрического листа. Его выполняют из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий), толщиной равной 1,5…2,0 глубины проникновения тока и располагают между индуктором и корпусом печи.

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля заданной напряженности, который индуцирует ток в нагреваемых материалах. В процессе плавки индуктор испытывает радиальные электродинамические усилия, вызванные вибрациями, расширением футеровки, усилиями, возникающими при наклоне печи для слива металла. Кроме того, при расплавлении металла через индуктор проходит существенный тепловой поток от расплавляемого материала. Для предотвращения перегрева индуктора и преждевременного выхода его из строя применяется водяное охлаждение. Это позволяет уменьшить электрические потери и обеспечить надежную электроизоляцию и безаварийность работы агрегата.

Рисунок 1.2 Профили трубки индуктора: а) - круглый (ГОСТ 617-72); б) -овальный; в) -квадратный (ГОСТ 16774-71); г) - прямоугольный (ГОСТ 16774-71); д) -неравностенный (D -образный)

Индуктор изготовляют в виде однослойной цилиндрической катушки из медной полой трубки специального профиля (рис.1.2) (соленоида), витки которого укладываются или в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона витков и заданным шагом навивки (рис.1.3,а) или в виде катушки, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляют наклонным участком (индуктор с транспозицией витков) (рис.1.3,б).

Жесткость конструкции индуктора может быть обеспечена двумя способами:

1. При наличии электроизоляционного промежутка между витками креплением каждого витка к независимым изоляционным стойкам с помощью приваренных к нему латунных шпилек.

2. Сжатием всех витков между двух плит из изоляционного материала с фиксацией вертикальными стойками. В этом случае витки между собой изолируют прокладками из пиканита, стеклоленты или обмазки.

Рисунок 1.3 Индукторы со спиральной навивкой (а) и с транспозицией (б)

Водяное охлаждение обеспечивает надежность отвода теплового потока от расплавленного металла через футеровку тигля при обеспечении следующих условий:

а) температура воды не должна превышать температуры выпадения солей жесткости (35…45оС) для предотвращения образования накипи внутри трубок и ухудшения теплоотвода от них;

б) температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающей среды. В противном случае будет происходить конденсация паров воды и запотевание индуктора, что может привести к пробою изоляции между витками;

в) напор потребляемой воды не должен превышать 2 атм. с целью обеспечения возможности использования обычной водопроводной воды. Для этого система водяного охлаждения может быть секционирована при параллельном соединении секций охлаждения.

1.3 Огнеупорная футеровка

Огнеупорная футеровка тигельной индукционной печи состоит из тигля, образующего плавильное пространство и определяющего емкость печи; подины, служащей основанием, на которое устанавливаются тигель и индуктор; леточной керамики (носка), предназначенной для формирования струи жидкого металла при сливе его из тигля; воротника, соединяющего тигель и леточную керамику; крышки, футерованной шамотными огнеупорами.

Тигль должен обеспечивать удобство ведения металлургического процесса при минимуме тепловых потерь, максимальном электрическом КПД и достаточную механическую прочность. Для удовлетворения этим требованиям, по практическим данным, соотношение среднего внутреннего диаметра тигля dо и высоты тигля h должно составлять do/h=0,6…1,0 при средней толщине стенки Дт=(0,1…0,25)do (рис.1.4).

Рисунок 1.4 Продольное сечение тигля

Для обеспечения механической прочности тигля, заполненного металлом, толщину его стенки по высоте делают переменной, а внутреннюю поверхность выполняют в виде конуса с углом наклона образующей б=2…4о. Сопряжение вертикальных стенок с днищем выполняется под углом 45…50о либо с плавным переходом.

Стойкость тигля определяет длительность работы печи между ремонтами. Во время плавки тигель испытывает тепловое, коррозионное и эрозионное воздействие жидкого металла, химической коррозии шлака, статическое давление столба жидкого металла, механические усилия при загрузке шихты и ведении плавки. Поэтому к огнеупорным свойствам и качеству футеровки предъявляют особые требования:

- материал тигля должен обладать высокой огнеупорностью и термостойкостью, химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;

- сохранять теплоизоляционные свойства и минимальную электропроводность во всем диапазоне рабочих температур;

- обладать механической прочностью в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического давления, значительных механических усилий при загрузке исходной шихты, обслуживании и чистке;

- иметь минимальную толщину стенок для обеспечения высокого электрического КПД;

- материал тигля должен иметь минимальный коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в его стенке при разогреве;

- технология изготовления и уход за тиглем должны обеспечивать высокую стойкость и минимальное количество экзо - и эндотермических включений в металл, обеспечивая стабильность ведения металлургического процесса.

Для индукционных тигельных печей можно применять кислую, основную и нейтральную огнеупорную футеровку. В зависимости от марки выплавляемого металла, уровня температур и особенностей технологии выбирают соответствующий состав футеровочных материалов.

Кислую футеровку изготовляют из кремнеземистых материалов (кварцита, кварцевого песка, молотого динасового кирпича) с содержанием SiO2 не менее 93…98%. В качестве связующей (упрочняющей) добавки используют сульфидно-целлюлозный экстракт с добавлением 1,0…1,5% борной кислоты в качестве минерализатора.

Стойкость кислых тиглей составляет 80…100 плавок.

Основную футеровку выполняют преимущественно из магнезита в предварительно спеченном или плавленном состоянии и обладающим высоким постоянством объема. В качестве связующего материала при изготовлении основной футеровки используют глину (3% от массы магнезита) с увлажнением ее водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12%).

Стойкость такой футеровки колеблется в пределах от 18…20 плавок до 40…50 плавок.

Нейтральная футеровка состоит в основном из аморфных оксидов (Al2O3, ZrO2, Cr2O3). Она характеризуется более высокими эксплуатационными показателями по сравнению с кислой и основной футеровкой. Однако стоимость ее изготовления существенно выше, что сдерживает более широкое применение таких материалов.

Футеровка индукционных печей может быть изготовлена одним из следующих методов:

1. Набивкой футеровочных материалов по стальному шаблону с формой внутренней поверхности печи непосредственно в ней. Шаблон устанавливается на подине строго по оси печи, а порошкообразные огнеупорные материалы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном послойно с последовательным уплотнением пневматической или электрической трамбовкой.

2. Изготовлением футеровки внепечным методом в виде спрессованного изделия на специальных прессах в прессформах. Тигли, изготовленные таким методом, помещают в индуктор печи и засыпают с боковой стороны порошкообразными огнеупорными материалами для придания определенной жесткости конструкции и предотвращения возможности прорыва жидкого металла к индуктору при нарушении целостности тигля. Такой метод позволяет сократить объем ремонтных работ и сроки их выполнения при смене тигля.

3. Изготовление футеровки из фасонных изделий. В этом случае необходимо предусмотреть возможность изготовления буферного слоя из огнеупорной засыпки толщиной 25…30 мм между индуктором и тиглем, способным компенсировать тепловые расширения основной массы футеровки при ее разогреве.

4. Послойная наварка футеровки путем торкретирования или плазменного напыления контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку. Такой метод позволяет получать химически чистую и компактную высокоогнеупорную поверхность футеровки со стороны металла.

Подина является основанием для размещения тигля и индуктора. С этой целью на нижнюю часть каркаса печи устанавливают рамку, закрепляя ее латунными шпильками, и на ней же располагают подовую плиту (подину) (рис.1.5), которую для небольших печей емкостью 50…100 кг изготовляют их шамотных блоков.

Рисунок 1.5 Устройство подины: 1- шамотные блоки; 2- накладки; 3- шпильки

Между блоками оставляют зазоры шириной 15 мм для компенсации тепловых расширений. Недостатком такого типа подин является трудность замены шамотных блоков и их относительная дороговизна.

Подину можно изготовлять из огнеупорного бетона, который заливают непосредственно на основание печи, покрытого асбоцементными листами или в опалубку.

В качестве материала подины могут быть использованы текстолитовые или асбоцементные плиты, а также фасонные шамотные кирпичи.

Леточная керамика предназначена для формирования струи металла при наклоне печи. Основной ее частью является носок, по которому течет металл.

Леточную керамику (рис.1.6) изготовляют из стандартных шамотных кирпичей (1), уложенных на огнеупорном растворе из молотого шамота и увлажненной глины на асбоцементную плиту (2), укрепленную на верхней раме каркаса. Носок (3) изготовляют в основном в виде сплошного шамотного блока соответствующей формы, а для печей малой емкости выдалбливают в кирпиче. Часть футеровки, обрамляющая проем над тиглем, называется воротником. Его часто накрывают асбоцементной плитой. Щели между блоками и тиглем заполняют обмазкой.

Рисунок 1.6 Леточная керамика индукционной печи: 1 - шамотные кирпичи; 2 - асбо-цементная плита; 3 - носок; 4 - воротник

Свод предназначен для снижения тепловых потерь с поверхности расплавленного металла. Для открытых печей свод выполняют откидывающимся из конструкционной стали, футерованной изнутри. Открывание крышки осуществляют либо вручную с помощью рычагов (печи малой емкости), либо с помощью специального привода (гидро- или электромеханического).

1.4 Механизм наклона тигля и поворота свода

Для слива металла из тигля после окончания плавки печь наклоняют на угол 95…100о. Для того чтобы уменьшить длину струи металла и не перемещать разливочный ковш вслед за изменением положения носка тигля, ось наклона печи располагают вблизи носка или непосредственно под ним.

Наклон печи производят одним из способов:

- с помощью ручного привода или рычагов (только для лабораторных установок);

- тельфера или другого подъемного механизма, установленного в цехе (рис.1.7,а). При этом крюк подъемного устройства закрепляют за специальную скобу, предусмотренную на каркасе печи;

- электромеханического привода, состоящего обычно из лектродвигателя, редуктора и цепной передачи, установленных на опорной раме печи;

- гидропривода, включающего маслонапорную установку для создания давления жидкости в системе, плунжеры и гидроцилиндры, шарнирно связанные с корпусом печи (рис.1.7,б). Для наклона печи на две стороны гидравлический механизм снабжается двумя парами цилиндров (рис.1.7,в).

Рисунок 1.7 Схемы механизмов наклона индукционных тигельных печей. 1 - ось наклона печи; 2 - опорная стойка; 3 - тельфер; 4 - цилиндр; 5 - плунжер; 6 - опора цилиндра; -----положение печи при наклоне

Последний вид механизма наклона получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и обеспечению плавности хода. Маслонапорную установку располагают обычно рядом с печью, вне рабочей площадки. Пульт управления размещают на рабочей площадке в месте удобном для наблюдения за процессом слива металла. Основным недостатком этого типа механизма следует считать необходимость иметь под печью значительное пространство для установки гидроцилиндров.

Для удобства снятия и закрытия герметичной крышки используют механизм поворота свода, который представляет собой простые рычажные или кулачковые приспособления, позволяющие легко приподнимать крышку на 1…2см, после чего отводить ее в сторону.

Для поворота свода печей большой емкости используют гидравлические цилиндры. Для уменьшения излучения из тигля над ним устанавливают футерованную крышку.

1.5 Контактное устройство

Контактное устройство соединяет индуктор с токоподводом и предусматривает возможность наклона печи во время разливки металла. Возможны два типа их конструкции: 1 - разъемное соединение; 2 - гибкое неразъемное соединение.

При использовании разъемного соединения подвижные контакты, установленные на корпусе печи, соприкасаются с неподвижными при нормальном вертикальном положении агрегата и выходят из соприкосновения при его наклоне. При наклоне подвижные контакты отходят в направлении, указанном стрелкой.

Рисунок 1.8 Конструкция разъемного соединения индуктора с токопроводом: 1 - подвижный контакт; 2 - неподвижный контакт

Для недопущения перегрева контактов их охлаждают водой.

Соединение индуктора с токоподводом при помощи гибкого кабеля значительно снижают энергетические потери, устраняют трудности подгонки подвижных и неподвижных контактов, не требуют заботы об их чистоте. В тоже время, этой форме соединения присущ ряд дефектов:

а) возникновение добавочных электрических потерь (до 10…20% активной мощности печи) за счет увеличения длины проводников;

б) увеличение затрат меди;

в) увеличение индуктивного сопротивления токопровода, что вызывает возрастание падения напряжения в токоподводящей сети.[1]

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА И ФУТЕРОВКИ ПЕЧИ

Рисунок 2.1 Эскиз к геометрическому расчету тигельной печи

Для проектирования имеем следующие данные:

1. Марка выплавляемого сплава - Латунь Л63

2. Количество печей на участке - 3 штуки.

3. Вместимость одной печи G=6 т.

4. Количество возврата в шихте - 18%.

Химический состав латуни Л63 по ГОСТ 15527-70:

Компоненты % Медь (Cu). 62-65

Примеси, %, не более

Полезный объем тигля, занимаемый жидким металлом:

где Vт - полезный объем тигля, м3;

Gт - емкость тигля печи, т

н - плотность расплава, т/м3

Принимая, что форму тигля можно представить в виде цилиндра диаметром d0 и высотой h1. В среднем для большинства печей, независимо от вида выплавляемого металла или сплава, емкости и типа печи А=0,85.

Средний (внутренний) диаметр тигля составляет:

Высота загрузки тигля:

Средняя толщина стенки тигля определяется по формуле

Внутренний диаметр индуктора определяется по формуле

Высота внутренней полости тигля определяется по формуле

Высота индуктора (без учета холостых витков) определяется по формуле

Внутренний диаметр индуктора:

где дф и диз - толщина футеровки и изоляции (диз=5…8мм). Примем 7 мм.

Внутренний диаметр магнитопровода оринтировочно определим из соотношения:

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ
Исходные данные для расчета: Марка сплава - Латунь Л63
Вместимость одной печи G=6 т.
Характеристики латуни Л63 [2]:
Температура плавления. tn = 905 C
Температура разливки. tp = 1020 C
Плотность при t = 20 C = 8440 кг/м3
Плотность в жидком состоянии. ж = 8000 кг/м3
Удельное сопротивление при t = 20 C. = 6,8·10-8 Ом·м
Удельное сопротивление в жидком состоянии. = 40·10-8 Ом·м
Теплоемкость в диапазоне t=20…905C ……. С1=0,4706 кДж/кг·град
Теплоемкость в диапазоне t=905…1020C…..С2=0,4865 кДж/кг·град
Скрытая теплота плавления. = 148,63 кДж/кг
Удельное теплосодержание при температуре t=1020C q= 645•103 Дж/кг
Энтальпия при температуре t = 1020C. cp =169 Вт·ч/кг
3.1 Расчет мощности
Полезная мощность индукционной тигельной печи (ИТП) определяется по формуле
(3.1)
где Gm - емкость печи, т;
q -раплавляемого металла при температуре разливки, Дж/кг;
ф - время плавки.
Полезную мощность ИТП можно найти и по формуле
(3.2)
где Gm - емкость печи, кг;
сi - энтальпия при температуре разливки, кВт·ч/кг;
ф - время плавки.

Для последующих расчетов принимаем РС=720 кВт.

3.2 Расчет частоты источника питания

При расчетах принимаем обозначение с20, сс, спл - соответственно удельное сопротивление при температурах 20оС, точки Кюри и температуре плавления.

Предварительный выбор частоты питающего тока осуществляется для случая, когда расплавившаяся шихта представляет собой сплошной цилиндр с диаметром равным среднему диаметру тигля dо и с параметрами: удельное сопротивление расплавленного металла сПЛ и магнитной проницаемостью м =1,0. Для выбранных условий частоту тока в индукторе ориентировочно определяют по формуле

где d0 - средний диаметр тигля, м;

с=сПЛ - удельное сопротивление расплавленного металла, Ом·м.

Ближайшая частота машинных преобразователей частоты равна 50Гц.

Проверим величину аргумента для этой частоты для наиболее невыгодных параметров. При плавке немагнитной шихты - для момента начала плавки. В этом случае с=с20, м =1,0 и do=dш.

Глубина проникновения тока равна

Таким образом, частота 50 Гц не обеспечивает расплавление шихты. Минимальная частота тока ИТП определяется по формуле

где сШ - удельное сопротивление шихты при худших условиях, (для немагнитной латуни сШ =с20=6,8•10-8 Ом·м);

м - относительная магнитная проницаемость шихты, м=1;

dШ , rШ- средний диаметр и радиус шихты, м.

Выбираем из ряда рекомендованных частот (50 , 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10 000 Гц) частоту f=500 Гц.

В качестве источника питания выбираем преобразователь с генератором с частотой тока 500 Гц, мощностью 1500 кВт, напряжением 1600/800 В, КПД зГЕН=0,86 и электродвигателем мощностью 350 кВт, напряжением 6000/3000 В, 2900 об/мин, КПД здв=0,927. Характеристики выбранного источника питания соответствуют данным для индукционной тигельной печи ИЛТ-6/1,6 для плавки меди и ее сплавов.

Читайте также: