Особенности индукционной установки, предназначенной для нагрева или плавки материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленная печь-это агрегат для тепловой обработки материалов, а именно, для их нагрева с целью осуществления какого-либо технологического процесса. В металлургических печах производят нагрев до высокой температуры с целью получения металлов и сплавов - чугуна, стали, ферросплавов, цветных металлов, а также для придания металлическим или огнеупорным изделиям требуемых механических свойств.

На металлургических предприятиях высокотемпературные печи являются основным технологическим оборудованием.

Современные печи представляют собой разнообразные по конструкции, сложные тепловые агрегаты. Они состоят из собственно печи и вспомогательного оборудования. Собственно печь включает в себя рабочее пространство и устройства для генерации теплоты: горелки, форсунки. В состав вспомогательного оборудования входят устройства для утилизации теплоты и очистки уходящих из печи дымовых газов, вентиляторы, дымососы, трубопроводы с клапанами и задвижками, дымовые трубы, контрольно-измерительные приборы и устройства для управления печью.

В данной работе рассматривается особенности индукционной установки, которые предназначены для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов.

Индукционный нагрев основан на преобразовании электрической энергии в тепловую.



Классификация металлургических печей

1. По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные.

Внутри каждой из этих групп печи подразделяют в соответствии с теми технологическими операциями, которые в них проводят. Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние. Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния. Эти печи могут служить для обжига огнеупорных материалов: известняка, магнезита, для сушки литейных форм, руды, песка, нагрева металла перед прокаткой и ковкой, термообработки металла, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств. Эти группы печей подразделяют еще и по конструктивным признакам, методам транспортирования металла в печах, характеру продукта, подвергаемого нагреву. Например, печи для нагрева перед прокаткой разделяют на следующие группы: а) нагревательные колодцы, методические печи, камерные нагревательные печи и др.; б) садочные, толкательные, с вращающимся подом; в) для нагрева слитков, блюмов, труб, сутунки и др.

2. По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией и автогенные печи, которые работают за счет тепла экзотермических реакций, которые идут в обрабатываемом материале - печи взвешенной плавки, печи кислородно- взвешенной плавки. Достоинства: сокращении энергозатрат на переработку шихты и полной ликвидации выбросов сернистого газа в атмосферу.

Топливные нагревательные печи широко применяются в прокатных и кузнечных цехах для нагрева квадратных, прямоугольных, а иногда и круглых заготовок.

Топливные печи бывают следующих видов:

- шахтные печи;

- трубчатые вращающиеся;

- плавильные и нагревательные

Топливным печам присущи следующие недостатки:

- непостоянный во времени температурный режим, отрицательно сказывающийся на равномерности нагрева металла;

- высокий удельный расход топлива, вызванный периодическим нагревом кладки печи;

- сложность автоматического регулирования теплового режима печи;

- непригодность для высокопроизводительного поточно-массового производства.

Электрические промышленные печи применяются в основном в металлургии и машиностроении для термической обработки металла и заготовок.

Электрические промышленные печи бывают следующих видов:

??? электрические печи сопротивления;

??электрические дуговые печи;

??дуговые печи сопротивления;

? установки индукционного и диэлектрического нагрева;

? электронно-лучевые установки;

Преимущества электрических печей:

??возможность обеспечивать высокую равномерность нагрева изделий.

??лёгкость регулирования подводимой мощности, а следовательно и температуры.

? лёгкость автоматизации регулирования температурного режима печи.

??удобство механизации и автоматизации процессов загрузки и выгрузки изделий.

??возможность получения больших скоростей нагрева и любые необходимые температуры.

??компактность, чистота, удобство обслуживания, меньшее загрязнение атмосферы.

Недостатком камерных ЭПС с выдвижным подом является невысокая равномерность нагрева, а также повышенный удельный расход электроэнергии из-за трудности герметизации ЭПС и потерь аккумулированной выдвижным подом теплоты.

3. По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия.

К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, печи "кипящего" и взвешенного слоя, туннельные печи для обжига огнеупорных изделий, трубчатые вращающиеся печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции.

К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно-прессовом производстве и в термических цехах и отделениях. Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции. Между циклами проводят подготовительные и текущие ремонтные работы, как, например, заправка подины мартеновской печи или нагревательного колодца, разогрев печи перед началом следующего рабочего цикла.

4. По режиму нагрева подразделяются на камерные и методические.

Камерные печи при которых температура в рабочем пространстве печи остается постоянной и в объеме и во времени.

Методические печи - температура меняется по длине печи и во времени.

5. По способу передачи тепла:

а) печи в которых тепло выделяется в массе нагреваемого материала (мартеновские печи)

б) печи в которых тепло выделяется отдельно от материала и передается ему теплообменом. (печи теплообменники)

в) печи с изолированным тепловыделением (муфельные, тигельные печи).

6. По форме рабочего пространства: - с вертикальным расположением рабочего пространства (шахматные печи); - с горизонтальным расположением рабочего пространства (проходные, туннельные печи); 

Современные печи представляют собой сложные тепловые агрегаты, состоящие из собственно печи и вспомогательного оборудования. Собственно печь включает в себя рабочее пространство и устройства для получения тепловой энергии: горелки, форсунки в топливных печах и электроды, резисторы в электрических печах. В рабочем пространстве печи осуществляются те технологические операции, для которых предназначена печь. В состав вспомогательного оборудования входят устройства для утилизации тепла отходящих дымовых газов, вентиляторы и дымососы, дымовые трубы, различные клапаны, задвижки и др.



Характеристика печи

Нагрев стальных заготовок перед прессованием производят в индукционной печи методического действия (рис.3).

Нагрев заготовок в установке осуществляется методическим способом, который заключается в последовательном нагреве заготовок до заданной температуры, по мере прохождения их через индуктор, состоящий из трех однофазных индукторов, включенных на три фазы питающей сети.

Индукционная печь представляет собой нагревательную установку, работающую по принципу трансформатора с разомкнутым сердечником, первичной обмоткой которого является индуктор, а вторичной - поверхностные слои нагреваемой заготовки. При действии переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором, в поверхностных слоях слитков, находящихся в этом поле, индуцируются электрические токи, которые разогревают эти слои заготовки. Передача тепла от поверхностных слоев слитка и его глубинным объемом осуществляется теплопроводностью.

Для этого метода нагрева характерно наличие температурного перепада по сечению слитка, пропорционально скорости нагрева, то есть мощности, приходящейся на единицу поверхности слитка.



Рисунок 3. Индукционная печь методического действия.

а) показан общий вид методического индукционного нагревателя,

б) изображена кинематическая схема нагревателя:

1 - индуктор, 2 - загрузочный лоток, 3 - пневматический толкатель, 4 - измеритель приборов для наблюдения за режимом нагрева, 5 - аппаратура автоматического управления подачей заготовки в индуктор, 6 - конденсаторная батарея, 7 - контактор, включающий и выключающий нагрев, Сжатый воздух из трубопровода (9) подается в цилиндр (10) пневматического толкателя.

При перемещении поршня толкателя заготовка, лежащая на лотке (2), поступает в индуктор (1). При загрузке в индуктор холодной заготовки лежащей с противоположной стороны индуктора нагретая до ковочной температуры заготовка выталкивается на транспортер и доставляется к штамповочному агрегату.

Конструктивно индуктор, состоящий из трех однофазных индукторов, представляет собой трубу, в которую с одного конца загружаются не нагретые слитки, а с другого конца выгружаются нагретые слитки (рис.4).

Рисунок 4. Устройство индуктора.

Индуктор состоит из многовиткового спирали (1), выполненной из медной трубки прямоугольного сечения. Между витками ее располагаются картонные изолирующие кольца. Спираль индуктора сжата асбоцементными щеками (5) с помощью латунных булавок (6). Для предотвращения смещения витков спирали служат деревянные брусья (7). Внутри спирали находится электрическая (2) и тепловая (3) изоляция. Электрическая изоляция индуктора обычно выполняется путем покрытия витков лаком по голой меди с последующей обмоткой каждого витка стеклолентой или микалентой, пропиткой и запечкой кремнийорганическим лаком. Когда крепление индуктора выполнено стяжкой между торцевыми плитами, допустимы прокладка между витками колец из электроизоляционного твердого материала и последующая обмотка стеклолентой одновременно всех витков.

Тепловая изоляция индуктора зависит от рабочей температуры. При нагреве заготовок до 300°С достаточно на внутреннюю поверхность индуктора наклеить слой асбестового полотна. При нагреве до 300-500°С, например перед обработкой давлением алюминия, применяются асбоцементные трубы. Нагрев в диапазоне 500-900°С ведут в индукторах с теплоизоляцией из шамотных колец. Для диапазона 1100-1250°С в качестве огнеупорной части теплоизоляции часто применяют шамотные втулки, а между индуктором и втулкой прокладывают слой асбестового полотна или картона. Наиболее удобно для этого диапазона температуры использовать жаростойкое бетоны. Они наиболее прочны и долговечны, чем шамотные втулки. Футеровка из бетона может выполняться путем набивки в зазор между индуктором и шаблоном, обмазки индуктора изнутри, изготовлением втулок нужных размеров и, наконец, заливкой предварительно изолированного индуктора целиком в бетон. При нагреве до 2000-2500 °С можно применять графитовую засыпку, углеткани, специально располагаемые в магнитном поле индуктора молибденовые или вольфрамовые экраны. Для сохранения футеровки от разрушения при продвижении заготовки вдоль индуктора располагаются направляющие (4) из жаростойкой стали, охлаждаемые водой.

Охлаждающая вода подаётся отсасыванием -- этим обеспечивается безопасность в случае разгерметизации индуктора. Для охлаждения индуктор подсоединяется либо к местному охлаждающему агрегату - чиллеру, либо к водопроводной сети пхв-трубками настолько длинными, чтобы сопротивление "столба" воды в трубке было высоким и обеспечило "изоляцию" водопроводной сети от высокого напряжения индуктора.

Форма поперечного сечения окна спирали индуктора выполняется в зависимости от формы поперечного сечения заготовки.

Мощность индуктора отрегулирована таким образом, чтобы при нагреве заготовок любого размера из любого высоколегированного сплава перепад температуры по поперечному сечению слитка не превышал 40^оС.



Контроль и автоматизация технологического процесса

Так как для обработки давлением весьма важным является строгое соблюдение температуры нагрева металла, то необходим ее контроль. В производственных условиях контроль температуры осуществляется путем измерения ее соответствующими приборами, названными пирометрами. Пирометры кроме непосредственного измерения температуры могут выполнять функции регуляторов теплового режима работы нагревательных устройств. Пирометры измеряют температуру в разных частях нагреваемой заготовки, и информация с них поступает на компьютер.

Пирометры, которые применяются, подразделяются на:

· термоэлектрические;

· оптические;

· радиационные;

· фотоэлектрические.

Наибольшее применение получили термоэлектрические пирометры, состоящие из термопары и милливольтметра или потенциометра. Они достаточно удобны вследствие возможности фиксации и автоматической записи температуры на большом расстоянии от измеряемого объекта и обеспечивают большую точность измерения (до ± 5°). Для измерения температур до 1100°С применимы хромель-алюмелевые термопары, а для температур до 1500°С - платинородиевые.

В производственных условиях для периодического быстрого контроля температуры разогретого тела применяется оптический пирометр с исчезающей нитью.

О том, что началась процедура загрузки (выгрузки) заготовок промышленный компьютер (ПК) получает информацию с оптических датчиков (оптопар). Заготовка, проходя между элементами оптической пары: приемником и излучателем, прерывает сигнал и дает информацию о ходе технологического процесса.

С помощью оптических пар можно не только контролировать процедуру загрузки - выгрузки, но и корректировать положение заготовки во время загрузки, а также передавать информацию на ПК о перемещении заготовки внутри установки.

Промышленный компьютер используют в качестве управляющей машины, получающей сигналы с пирометров о текущей температуры и с датчиков о процессе загрузки-выгрузки. ПК, помимо восприятия текущих температур, сопоставляет показания трех пирометров с целью избежания отклонений в нагреве в ту или иную сторону. Температурой нагрева будет температура, являющаяся средним арифметическим значением показаний трех пирометров.

Работу питания и управления нагрузки индуктора осуществляется тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ).

Техника безопасности и охрана окружающей среды

Так как в индукторе находится высокое напряжение, которое в мощных установках может достигать сотен вольт, индуктор представляет опасность для персонала. Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний и своеобразный характер. Проходя через организм человека, электроток производит термическое, электрическое, механическое и биологическое действие.

Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом до высокой температуры органов, расположенных на пути тока, вызывая в них значительные функциональные расстройства. Электрическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе крови, в нарушении ее физико-химического состава.

Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в резултьтате электродинамического эффекта, а также многовенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, а также нарушением внутренних биологических процессов.

Для защиты от поражения электрическим током всё оборудование должно быть заземлено, все работы должны проводиться только в специальной одежде и рукавицах, возле электрических печей должны быть постелены резиновые коврики.

Возникающие при использовании токов высокой частоты электромагнитные поля представляют определенную профессиональную вредность - изменения нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем организма человека. Наблюдаются повышенная утомляемость, вялость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возникновение болей в сердце (обычно сопровождается аритмией), головные боли. Поэтому необходимо принимать меры защиты от их воздействия на организм.

Основные меры защиты от воздействия электромагнитных излучений: уменьшение излучения непосредственно у источника (достигается увеличением расстояния между источником направленного действия и рабочим местом, уменьшением мощности излучения генератора); рациональное размещение СВЧ и УВЧ установок (действующие установки мощностью более 10 Вт следует размещать в помещениях с капитальными стенами и перекрытиями, покрытыми радиопоглощающими материалами -- кирпичом, шлакобетоном, а также материалами, обладающими отражающей способностью -- масляными красками и др.); дистанционный контроль и управление передатчиками в экранированном помещении (для визуального наблюдения за передатчиками оборудуются смотровые окна, защищенные металлической сеткой), экранирование источников излучения и рабочих мест (применение отражающих заземленных экранов в виде листа или сетки из металла, обладающего высокой электропроводностью -- алюминия, меди, латуни, стали); организационные меры (проведение дозиметрического контроля интенсивности электромагнитных излучений -- не реже одного раза в 6 месяцев; медосмотр -- не реже одного раза в год; дополнительный отпуск, сокращенный рабочий день, допуск лиц не моложе 18 лет и не имеющих заболеваний центральной нервной системы, сердца, глаз); применение средств индивидуальной защиты (спецодежда, защитные очки и др.). Пребывание персонала в зоне воздействия электромагнитных полей ограничивается минимально необходимым для проведения операций временем. Генераторы токов высокой частоты устанавливают в отдельных огнестойких помещениях, машинные генераторы -- в звуконепроницаемых кабинах.

Стенки защитной камеры изготавливают из стекла, цемента, пластмасс, дерева -- эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки.

К средствам индивидуальной защиты от электромагнитных излучений относят переносные зонты, комбинезоны и халаты из металлизированной ткани, осуществляющие защиту организма человека по принципу заземленного сетчатого экрана.

Выбор частоты

При выборе частоты необходимо соблюдение следующих условий:

- электрический КПД индуктора не должен сильно отличаться от предельного (это условие определяет нижний предел частоты);

- время нагрева должно быть минимальным (это условие определяет верхний предел частоты).

Расчет выполняется для последней «горячей» стадии сквозного нагрева, длительность которой составляет примерно 70% общего нагрева. В этой стадии для стали всех марок можно принять µ=1 (потеря магнитных свойств) и удельное сопротивление с_з=10^-6 Ом·м.

Нижний предел частоты определяется по формуле:

где D₂ - диаметр заготовки, м; F - коэффициент, определяемый по прил. 1 [1].

При D₂/а₂ = 0,75/2,1 = 0,357 F = 7,72 (нашли интерполяцией двух ближайших значений F). Здесь а₂ = а·n = 0,35·6 =2,1.

(2.1)

Выбираем ближайшую стандартную частоту 50 Гц (прил.2 [1]).

Определение времени нагрева

Время сквозного нагрева заготовки зависит от допустимого (заданного) перепада температуры Дt между ее поверхностью и сердцевиной сечения. Это время зависит от частоты тока, размеров и формы сечения, свойств материала, абсолютного значения температуры на поверхности, а также от особенностей режима нагрева.

При сквозном нагреве обычно критерий фурье F₀>0,2, тогда время нагрева может быть рассчитано по формуле

, (2.2)

Где К - поправочный коэффициент (для стали К=2); t₀ - температура поверхности заготовки, ⁰С; Дt - перепад температуры в заготовке, ⁰С; a - коэффициент температуропроводности (для стали а=6,4·10^-6 м²/с); S(б,в,F₀) - коэффициент учитывающий распределение температуры по сечению заготовки; б = 1 - е/R₂ - относительная глубина активного слоя:

для цилиндрических заготовок е = Д_к, если Д_к?0,2·D₂, е = 0,2 · D₂, если Д_к > 0,2 ·D₂,

где Д_к - «горячая» глубина проникновения тока в материал заготовки, м,

, (2.3)

с - удельное электросопративление, Ом·м (для стали p=10^-6 Ом·м), тогда в - относительное значение текущей координаты (для поверхности в=1, для центра в=0).

Рассчитаем время нагрева:

а=6,4·10^-2 м²/с; К=2; .

Сравним Д_к с 0,2·D₂ (0,07?0,2·0,75), тогда е = Д_к = 0,07. При этих значениях б=1- е/R₂ = =1- 0,07/0,375 = 0,813.

По прил.3 [1] при F₀>0,2, б = 0,813, в=1 имеем S(б,1)=0,083, при в=0 S(б,0)= -0,119.

Тогда

Проверяем значение F₀ при полученном ф:



Это действительно > 0,2 пересчета не требуется.

Выражение (2.2) применительно к нагреву стали до 1200 ⁰С значительно упрощается:

(2.4)

где К - коэффициент (выбирают по прил. 4[1]), D₂^I = D₂ - е - расчетный диаметр, м; D₂ - истинный диаметр заготовки, м; е - глубина активного слоя, м.

Определим время нагрева заготовки вторым способом, т.е. по формуле (2.4).

По таблице прил.4[1] К=5,9 с/м². Расчетный диаметр D₂^I = D₂ - е = =0,75 -0,07=0,68 м.

Тогда

Сравнив два значения ф, к расчету можно применить ф = 25000с.

Определение полезной мощности

Полезную затрачиваемую мощность определяют как

(2.5)



где М - масса одной заготовки, кг; - средняя по сечению температура заготовки, ⁰С; ?с - средняя в интервале температур 0?t теплоемкость материала заготовки, Дж/(кг·К).

Для стали Р_Т = 8,4 · 10⁵· М · n/ф [1].

Удельную поверхностную мощность вычисляют по формуле, Вт/м²;

Р_о = Р_Т/F₂, (2.6)

где F₂ - площадь боковой поверхности n заготовок, м².

В нашем случае масса заготовки

здесь с=7,8·10³ кг/м³.

Тогда

Р_Т = 8,4 · 10⁵· М/ф = 8,4 ·10⁵·7232,8/25000 = 243022 Вт.

Определение геометрии индуктора

Для получения равномерного нагрева по поверхности заготовки длина редуктора определяется следующей зависимостью

а₁ = п ·а₂ +2Да (2.7)

где Да - величина заглубления заготовки в индукторе (положительный свес индуктора), которая может быть принята при нагреве стали Да=(0,5?0,8)· D_1. Диаметр индуктора D₁ с учетом толщины изоляционных слоев и постижении максимального КПД установки равен:



D₁ = D₂ + 2(д_ф + д_из. + д_з) ? (1,4 ? 2)· D₂, (2.8)

где д_ф - толщина внутреннего слоя футеровки;

д_из. - толщина теплоизоляционного слоя;

д_з - величина воздушного зазора между заготовкой и футеровкой, м.

Поскольку нагревается три заготовки, то

D₁ = (1,4 ? 2)· D₂ = 1,7 · 0,75 = 1,275 м,

а₁ = 6 · 0,35 + 2 · 0,89 = 3,88 м,

здесь Да = 0,7 · 1,275 = 0,89 м.

Рис. 2.1. Эскиз индуктора.

В D₁ входит футеровка из шамота (д_ф=20мм), тепловая изоляция из асбеста (д_из.=2,5 мм) и воздушный зазор

(д_з= [D₁ - D_з - 2 д_ф - 2 д_из.]·0,5 = [1,275 - 0,75 - 0,04 - 0,005] · 0,5 = 0,24 м = 240 мм.

Электрический расчет индуктора

Цель расчета - найти напряжение U_и и силу тока I_и в индукторе, коэффициент мощности cosц и КПД индуктора ?_и , подведенную мощность Р и емкость конденсаторной батареи С.

При расчете параметров системы индуктор-деталь необходимо привести параметры детали к параметрам индуктора (или наоборот).

Коэффициент приведения параметров

P_щ² = б ·щ², (2.9)

где б - поправочный коэффициент; щ - число витков индуктора.

Расчет ведется сначала для одновиткового индуктора. Тогда при щ=1 P_щ² = б.

(2.10)

где К_м = f (D₁/a₁ ; а₁/а₂) - определяют по прил. 6[1]; К_з = f (D₂/а₂) - по прил. 7[1]; А = f (D₂/(Д_k · v2) - по прил. 8[1].

Для нагреваемой заготовки

D₁/ а₁ =1,275/3,88 = 0,3,

а₁/ а₂ = 3,88/2,1 = 1,9,

по прил. 6[1] К_м = 0,389

D₂/а₂ = 0,35,

По прил. 7[1] К₂ = 0,8665.

Для нахождения А определяем D₂/(Д_k · v2).

Из предыдущего расчета Д_k = 0,07 м, тогда D₂/(Д_k · v2) = 0,75/(0,07·v2)= = 7,58 м, по прил. 8[1] А = 0,17.

Согласно полученным данным,



Приведенные сопротивления нагреваемой заготовки равны:

активное сопротивление

реактивное сопротивление

, (2.12)

где В = f[D₂/(Д_k · v2)] (по прил.8[1] В=0,194),

Активное сопротивление индуктора

r₁ = K_r · r_1П. (2.13)

индукционный печь металлургический автоматизация

Здесь омическое сопротивление индуктора



д₁ - толщина стенки трубки индуктора (выбирается из условия д₁ ? 1,3·Д₁), м;

- глубина проникновения тока в медь, м (для меди с=2·10^-8, Ом·м; µ=1, тогда Д₁=0,07/vf); расчетный диаметр D₁^I = D₁ + д_1, если д₁?1,5· Д₁, D₁^I = D₁ + Д₁, если д₁>1,5 Д_1, К_r, К_х- коэффициенты (находят по рис. 3.2[1]); К₁ = f(D₁/a₁) - находят по прил.7[1]); g = (0,7?0,9) - коэффициент заполнения.

В нашем случае Д₁= 0,07/v50 = 0,0099 м, д₁ ? 1,3·0,0099 = 0,0129 м = = 12,9 мм, принимаем д₁ =13·10^-3 м = 13 мм. Сравним 1,5· Д₁ с д₁ (1,5· Д₁ = 0,0149). Это > д₁. Значит D₁^I = D₁ + д₁ = 1,275 + 0,013 = 1,288 м. При д₁/Д₁ = 0,013/0,0099 = 1,31, по рис. 3.2[1] K_r = 1. Принимаем g = 0,9, при этом

С учетом полученных значений

r₁ = 1 · 2·10^-6 = 2·10^-6 Ом.

Реактивное сопротивление индуктора

(2.14)

Величина К_х =1 определена по рис 3.2[1] при д₁/Д₁=1,31. По прил. 7[1] при D₁/ а₁ = 0,3 К₁ = 0,89. Тогда



Эквивалентное сопротивление системы индуктор-изделие равно:

активное

(2.15)

Реактивное

(2.16)

Полное

Коэффициент полезного действия индуктора

(2.18)

Коэффициент мощности индуктора

(2.19)

Далее переходим к расчету многовиткового индуктора.

Для этого необходимо определить потребляемую мощность, напряжение и ток на индукторе.

Потери теплоты нагреваемой деталью происходят теплопроводностью и излучением (конвекцией в воздушном зазоре из-за его малости можно пренебречь).

Потери теплоты излучением, Вт,



(2.20)

где е_м, е_ф - степени черноты нагреваемого металла и внутренней поверхности футеровки индуктора (можно принять е_м=0,8; е_ф=0,45); F_м, F_ф - соответственно, площади их боковых поверхностей, м²; Т_м = (Т_м^нач + Т_м^кон)/2 - средняя от начала до конца нагрева температура поверхности металла, К; Т_ф - температура внутренней поверхности футеровки индуктора, К.

F_м = р · D₂ · a₂ = 3,14 · 0,75 · 2,1 = 4,95 м²,

F_ф = р · D₃ · a₁ = 3,14 · 1,23 · 3,88 = 14,99 м² (D₃ см. на рис. 2.1)

Средняя температура металла

Т_м = (5 + 990)/2 + 273 = 770,5 К

и поверхности футеровки

Т_ф = 300 + 273 = 573 К.

Тогда

Потери теплоты теплопроводностью в воздушном зазоре

(2.21)



Здесь л - коэффициент теплопроводности воздуха, который выбираем из прил. 9 при средней температуре воздуха

Т = (Т_м + Т_ф)/2 = (770,5 + 573) / 2 = 671,75 К.

По прил.9[1] л = 6,57·10^-2 Вт/(мК).

Следовательно,

Суммарная потребляемая мощность

P_Т см. по (2.5)

Сила тока в одновитковом индукторе

(2.23)

Напряжение на одновитковом индукторе

U_и¹ = Z_э¹ · I_и¹ = 3,7·10^-5 · 3,3·10⁵ = 12,21 В. (2.24)

Мощность, подведенная к индуктора,

Р = Р_т/?_и = 243022/0,58 =419003 Вт. (2.25)



Число витков индуктора

щ = U_и/U_и¹= 800/12,21 = 65,5 ? 65 (округляется в меньшую сторону).

где U_и=800 В - напряжение на индукторе (напряжение, вырабатываемое генератором, можно принять также 750 В).

Ширина индуктирующей трубки по длине индуктора (рис. 2.1)

(2.27)

Здесь коэффициент заполнения индуктора g берется таким же что и при расчете r_п (2.13). b выбрано правильно если удовлетворяются следующие требования: минимальная толщина изоляции между витками составляет Д_из.min = 1,5 ? 2 мм, а межвитковое напряжение не более (10 ? 40) В/мм, т.е. выполняются условия

(2.28)

и (2.29)

(b и Д_из выражены в мм).

Делаем проверку:

Д_из = 53(1-0,9)/0,9 = 5,9 мм > 2 мм, что допустимо;

условия выполняются, пересчета не требуется.

Далее переходя к расчету многовиткового индуктора. Для этого следует произвести пересчет сопротивлений индуктора с учетом количества витков

r_э = щ² (r₁ + r₂¹) = щ² · r_э¹ = 65² · 4,77·10^-6 = 2·10^-2 Ом; (2.30)

x_э = щ² · х_э¹ = 65² · 3,67·10^-5 = 0,16 Ом; (2.31)

Z_э = щ² · Z_э¹ = 65² · 3,7·10^-5 = 0,16 Ом. (2.32)

Сила тока в многовитковом индукторе

I_и = I_и¹/щ = 3,3·10⁵/65 = 5,1·10³ А. (2.33)

Активная мощность установки

Р_а = I_и² · r_э = (5,1·10³)² · 2·10^-2 = 520200 Вт. (2.34)

Реактивная мощность установки

Р_р = I_и² · х_э·10^-3 = (5,1·10³)² · 0,16·10^-3 = 4161,6 квар. (2.35)

Коэффициенты полезного действия, характеризующие установку, будут следующими:

тепловой КПД

?_т = Р_т/Р_У = 243022 / 299443 = 0,81, (2.36)

электрический КПД

?_э = Р_У/Р_а = 299443 / 520200 = 0,58, (2.37)



полный КПД

? = ?_т · ?_э = 0,81·0,58 = Р_т/Р_а = 0,47. (2.38)

Емкость конденсаторной батареи, необходимой для полной компенсации реактивной мощности

(2.39)

Где U_k=U_и - напряжение на конденсаторах.

Расчет охлаждения индуктора

Индуктирующая трубка нагревается за счет протекающего по ней электрического тока и за счет тепловых потерь нагреваемой заготовки, поэтому вода, протекающая по трубке, должна отвести тепловой поток

Вт. (2.40)

Требуемое количество воды для охлаждения индуктора

G_охл = 0,24 · P_охл ·10^-6/(t_вых - t_вх) = 0,24 · 274046·10^-6/(45-15) = 21,92·10^-4 м³/с,

где t_вх - температура воды на входе в индуктор (при охлаждении водопроводной водой 15⁰С ? t_вх ? 25⁰С, при замкнутом цикле охлаждения 15⁰С ? t_вх ? 35⁰С); t_вых - температура воды на выходе из индуктора, t_вых ? 50⁰С (при замкнутом цикле t_вых ? 65⁰С).

При этом нижняя граница t_вх устанавливается из условия исключения отпотевания индуктора, что может привести к нарушению прочности электроизоляции индуктора и к пробою, а верхняя граница предусматривает снижение образования накипи на стенках канала охлаждения, предотвращение местного парообразования и перегорания индуктора.

При таком расходе и допустимой скорости течения воды (w = 1- 1,5м/с) поперечное сечение трубки

(2.42)

Этой площади поперечного сечения соответствует эквивалентный диаметр

(2.43)

Определяем внутренние размеры индуктирующего витка при полученном поперечном сечении. Поскольку трубка чаще всего прямоугольного сечения (рис. 2.2), то S_тр = a¹ · b¹.

Рис. 2.2. Эскиз поперечного сечения трубки индуктора.

Толщина стенки (д₁=3мм) и ширина трубки (b=14мм) определены выше (см. рис. 2.1). На основании этих значений внутренняя высота витка в радиальном направлении равна



a¹ = S_тр/(b - 2 д₁) = 14,6/(1,4 - 0,6) = 18,25 см, (2.44)

внешняя высота трубки

а = a¹ + 2 д₁ = 18,25 + 2 · 0,3 = 18,85 см. (2.45)

Делаем проверку возможности отвода всей потерянной теплоты:

Р_отв = б_к ·(t_и - t?_в)· F_охл. (2.46)

Здесь площадь охлаждения

F_охл = 4 d_тр.э ·D₁ ·щ = 4 · 0,043 · 1,275 · 65 = 14,26 м², (2.47)

средняя температура воды

t?_в = (t_вых + t_вх)/2 = (15+45)/2 = 30⁰C,

температуру индуктора принимаем t_и = 50⁰С (t_и не должна превышать 60⁰С).

Для нахождения коэффициента теплоотдачи конвекцией б_к определяем режим течения воды:

т.е > 10000.

Режим турбулентный, что и рекомендуется для интенсификации теплоотвода. (При расчете коэффициент кинематической вязкости выбран по прил. 10[1] при t?_в=30⁰С). При Re_в > 10000^* критерий Нусельта



(2.48)

При 30⁰С, по прил. 10[1], Pr = 5,5.

Тогда

Отсюда

(л_в - коэффициент теплопроводности воды при t?_в=30⁰С, по прил. 10[1]),

Р_отв = 6438·(50-30)· 14,26 = 183,6·10⁴ Вт.

Р_отв > Р_охл,

т.е. отвод теплоты будет обеспечен.

Охлаждение индуктора чаще всего осуществляется подводом воды из магистрали. В этом случае перепад давления _ДР на входе и выходе из индуктора не должен превышать 202,6 кН/м².

Проверяем перепад давления по длине трубки, Н/м²:

(2.49)

где л_тр = 0,316/Re_в^0,25 - коэффициент трения, л_тр = 0,316/801242^0,25 = 0,011; К_ш- коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности трубки (К_ш=2?3), примем К_ш=2,5; ц_пов - коэффициент сопротивления поворота (см. прил. 12[1]) (при D₁/D_тр.э=1,275/0,043=29,7; ц_пов=7,89·10^-2); плотность воды с_в = 1·10³ кг/м³.

При этих данных имеем

_ДР < _ДР_крит, т.е 193 < 202,6 кН/м².

Число секций охлаждения оставляем прежним, m = 1.



Список используемой литературы

1. Индукционные печи: методические указания. Расчет индукционных нагревательных установок для сквозного нагрева.

2. Тымчак В.М. Конструирование и расчет нагревательных и термических печей. М.: Металлургия, 1984. - 442 с.

3. Н. И. Фомин, Л. М. Затуловский. Электрические печи и установки индукционного нагрева. - М.: Металлургия, 1979.

4. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. М: Металлугиздат, 1975.

5. А. А. Простяков, А. Б. Кувалдин. Индукционные нагревательные установки, M., 1970.

Размещено на Allbest.ru