Розрахунок індукційної тигельної печі промислової частоти серії ІЧТ

Размещено на http://allbest.ru

Вступ

В останні роки в нашій країні та за її межами широко використовуються високовиробничі електроплавильні агрегати. Підвищена увага до них зумовлена підвищенням виробництва і вживання сталей і сплавів високоякісних марок, синтетичного і високоміцного чавуну, жароміцних сплавів, а також кольорових і тугоплавких металів і сплавів з високими фізичними характеристиками. Серед сучасних електроплавильних агрегатів індукційні печі займають одне із провідних місць, тому що вони мають ряд суттєвих переваг в нагріванні з іншими плавильними агрегатами. Принцип індукційного нагріву полягає в змінні енергії електромагнітного поля, що поглинає електропровідним нагрівальним матеріалом в теплову енергію. Електромагнітне поле створюють індуктором, який являє собою багатовиткову котушку. Індукційні тигельні печі призначені для плавки чорних і кольорових металів. Вони можуть використовуватися в якості основного агрегату для плавки твердої шихти і в якості вторинного агрегату при дуплекс-процесі. Для плавки твердої шихти можуть застосовуватися індукційні тигельні печі підвищеної та промислової частот, причому в останніх свіжа шихта додається в рідкий метал, що залишився після зливу металу від попередньої плавки.

Індукційні тигельні печі промислової частоти серії ІЧТ призначені для плавки й витримки чавуну. Вони повинні експлуатуватися в безперервному режимі, тобто з довантаженням твердої шихти в розплав, що залишається після зливу чергової порції металу. Робота цих печей тільки на твердій шихті утруднена. Печі ІЧТ (серії ІЧТМ) можуть використовуватися також і в якості міксерів. Їх потужність в цьому випадку повинна бути достатньою тільки для покриття теплових втрат з невеликим запасом для можливості перегріву металу перед розливанням.

1. Літературний огляд

індукційний тигельний піч

Індукційна електропіч - це тигель з вогнетривкого матеріалу, який оточений мідною трубчастою спіраллю (індуктором), до якої подається електричний струм високої частоти, що нагріває і розплавляє метал. Під дією електричного струму відбувається циркуляція металу, що забезпечує отримання однорідної сталі заданого складу.

Існує два типи конструкцій індукційних печей :

1) канальна, в якій навколо індуктора із замкнутим магнітопроводом("сердечником") викладають концентричний (горизонтальний або вертикальний) вузький кільцевий канал з вогнетривкого матеріалу. Канал має бути заповнений розплавленим металом, щоб утворити замкнуте електропровідне кільце. Сердечник забезпечує великий магнітний потік, що дозволяє на таких печах працювати з промисловою частотою. Канальні індукційні печі застосовують в основному для плавки, кольорових важких і легких металів і сплавів з порівняно низькою температурою плавлення, що забезпечує досить високу стійкість футеровки каналу;

2) тигельна, в якій метал, що розплавляється (чи що підігрівається), знаходиться в керамічному тиглі, поміщеному всередину багатовиткового циліндричного індуктора. В цьому випадку застосувати сердечник неможливо, що збільшує магнітний потік розсіяння і вимагає відповідного збільшення частоти зміни(у часі) електромагнітного поля. Тому тиглі індукційних печей працюють на струмах високих або підвищених частот від відповідних перетворювачів частоти, що, природно, здорожує електропічну установку.

В порівнянні з вагранками тиглі індукційних печей забезпечують нижчий вміст сірки в металі і можливість отримання більш високої температури, що важливо для поліпшення якості литва і отримання тонкостінних відливок. Різновидом тиглів індукційних печей є індукційні міксери тиглів типу ІЧТМ, призначені для перегрівання рідкого чавуну і сталі перед розливанням, легування металу і підтримки постійних температурних умов литва. Падіння електромагнітних хвиль, що створюються індуктором, на поверхню металу викликає появу електродинамічних сил, що є причиною циркуляції рідкого металу і тиску, що стискає метал.

При достатній напруженості магнітного поля сили електродинамічного тиску можуть урівноважити вагу цього об'єму металу (до 1-2 см³), що дозволяє плавити і утримувати метал в зваженому стані.

Такий спосіб плавки дозволяє виключити взаємодію металу, що розплавляється, з футеровкою, отримувати будь-яку задану температуру рідкого металу, перемішувати цей об'єм рідкого металу, плавно опускати його усередині індуктора і регулювати випуск металу у виливницю або заморожувати його в зваженому стані. Можливі конструкції індукторів, форма рідкого металу і конфігурація магнітного поля представлені на рис. 1.1. При будь-якій конструкції індуктора існує область ослабленого магнітного поля нижче рівня металу, де вага рідкого металу не урівноважується електромагнітним тиском. Метал не виливається через цю "діру" в електромагнітному полі завдяки тиску, обумовленому силами поверхневого натягнення на викривленій поверхні, краплі, що висить. Тому в електромагнітному полі цієї частоти можна утримати обмежену кількість металу(20-50 г). Найбільш вдалою конструкцією пристрою для безтигельної плавки є індуктор типу "човник"(рис. 1.1, а). Індукційні тигельні печі (ІТП) широко застосовуються в промисловості для плавки чорних і кольорових металів як на повітрі, так і в вакуумі і в захисних атмосферах. В даний час використовуються такі печі емністю від десятків грам до десятків тонн. Тигельні індукційні печі застосовують головним чином для плавки високоякісних сталей та інших спеціальних сплавів, що вимагають особливої чистоти, однорідності і точності хімічного складу, що недосяжно при плавці в полум'яних і дугових печах.



а - типу "човник"; б - з паралельним зворотним витком; в - з послідовним зворотним витком

Рисунок 1.1 - Схема проходження струму, конфігурації магнітного поля і форми рідкого металу, плавкого в зваженому стані за допомогою індукторів.

Залежно від електричних властивостей матеріалу тигля розрізняють індукційні печі з непровідним тиглем та з провідним.

До першої групи відносяться печі з діелектричним керамічним тиглем, призначені для плавлення металів. У таких печах завантаження нагрівається індукованим в ній струмом, тигель же еквівалентний повітряному проміжку.

До другої групи відносяться печі із сталевим, графітовим або графітошамотним тиглем, таким, що має більшу або меншу електропровідність. Якщо товщина стінки тигля більш ніж удвічі перевищує глибину проникнення струму в матеріал тигля, то можна вважати, що індукований струм зосереджений в стінці тигля, завантаження ж прогрівається тільки шляхом теплопередачі і може не мати електропровідності. При меншій товщині стінки тигля електромагнітне поле проникає в завантаження і енергія виділяється як в стінці тигля, так і в самому завантаженні, якщо вона електропровідна. Печі із провідним тиглем мають теплоізоляцію.

За характером робочого середовища індукційні тигельні печі можна розділити на відкриті, працюючі в атмосфері, і вакуумні. Конструкції вакуумних печей забезпечують як плавку, так і розливання металу у вакуумі, завдяки чому вміст розчинених в металі газів виходить дуже низьким.

Індуктор і футеровка, основною частиною якої є тигель, зміцнюються в корпусі печі. Конструктивні деталі корпусу розташовуються поза індуктором на невеликій відстані від нього, тобто у області, що пронизується магнітним потоком індуктора на шляху його зворотного замикання. Тому в металевих деталях корпусу можуть виникати вихрові струми, що викликають нагрів.

Для зменшення втрат в корпусі у печей невеликої місткості основні деталі корпусу виготовляються з непровідних матеріалів. Можливо також видалення металевих вузлів корпусу на більшу відстань від індуктора, в область слабкішого поля.

Проте таке конструктивне рішення призводить до різкого збільшення габаритів печі і тому прийнятно лише для печей найменшої місткості. У печей значної місткості доводиться вузли несучої конструкції захищати від зовнішнього поля індуктора.

Для захисту використовують магнітопровід у вигляді вертикальних пакетів трансформаторної сталі, розташованих навколо індуктора, або електромагнітний екран між індуктором і корпусом у вигляді суцільного кожуха з листового матеріалу з малим питомим опором; втрати в такому екрані невеликі.

Таким чином, відповідно до методу зниження втрат в корпусі індукційні печі тиглів діляться на три класи:

а) не екрановані;

б) із магнітопроводом;

в) з електромагнітним екраном.

Великі печі працюють на частоті 50 Гц; зі зменшенням місткості печі частота струму повинна підвищуватися, щоб збереглося співвідношення між глибиною проникнення струму і діаметром завантаження, що забезпечує високий ККД індуктора.

По частоті живлячого струму індукційні печі тиглів можна класифікувати таким чином:

а) високочастотні із живленням від лампових генераторів;

б) працюючі на частоті 500-10000 Гц із живленням від вентильних або машинних перетворювачів частоти;

в) працюючі на частотах 150 і 250 Гц із живленням від статичних помножувачів частоти;

г) працюючі на частоті 50 Гц із живленням від мережі.

Існують три конструкції, різні за способом проведення магнітного потоку із зовнішнього боку індуктора (рис 1.2) :

а) магнітний потік проходить по магнітопроводах з трансформаторної сталі;

б) магнітний потік проходить по повітрю, сталеві конструктивні частини захищаються від інтенсивного нагріву за допомогою мідного листа, що екранує магнітне поле;

в) магнітний потік проходить по повітрю.

Плавку в індукційних печах зазвичай ведуть без окислення домішок і не ставлять завдання видалення фосфору і сірки, оскільки із-за "холодних" шлаків дефосфорація і десульфурація ускладнені. Сталі і сплави виплавляють або з легованих відходів(метод переплавки), або з чистого шихтового заліза і лому з добавкою феросплавів(метод сплаву).

Вибір установки. У печі з основною футеровкою можна виплавляти сталь будь-якого складу, але стійкість цієї футеровки значно нижча, ніж кислої. У печах з кислою футеровкою не можна виплавляти сталі з високим вмістом марганцю, алюмінію, титану, цирконію, оскільки оксиди марганцю, взаємодіючи з кремнеземом футеровки, швидко руйнують її, а алюміній, титан і цирконій відновлюють кремній з кремнезему футеровки.

Рисунок 1.2 - Три конструкції, різні за способом проведення магнітного потоку із зовнішнього боку індуктора

Плавка в печі з основною футеровкою. Тривалість плавки в індукційній печі дуже невелика, що не дозволяє багаторазово перевірити склад металу шляхом його аналізу. Тому отримання сталі із заданим складом базується на попередньому розрахунку шихти, для чого потрібні точні знання її складу і зважування. Зокрема, вміст вуглецю, сірки і фосфору не повинно перевищувати допустимих в сталі, що виплавляється, меж.

Шихту складають з дрібних і великих шматків, що забезпечує щільність її укладання і скорочення тривалості плавлення. Найбільш великі шматки укладають у стінок тигля, де щільність струмів максимальна. Тугоплавкі феросплави завантажують в нижню половину тигля.

Після включення струму стежать за тим, щоб шматки шихти не зварювалися в "мости", що перешкоджають осіданню плавких шматків вниз. Періодично шихту "осаджують" за допомогою ломика. У міру осідання шихти довантажують ту її частину, яка не вмістилася при завалці. Після появи рідкого металу в тигель вводять шлакотворну суміш з вапна, плавикового шпату і магнезиту в співвідношенні 4: 1: 1. Призначення шлаку, що наводиться, - зменшити насичення металу газами з атмосфери і окислення легуючих елементів. При плавленні підтримують максимальну потужність генератора і високий cos ц шляхом підключення конденсаторів. Тривалість плавлення змінюється від 30-40 хв. на малих печах(місткістю ~50 кг) до 2 ч на великих. Після розплавлення відбирають пробу металу на аналіз і зливають плавильний шлак, щоб запобігти відновленню з нього фосфору, після чого наводять новий шлак, додаючи шлакотворну суміш того ж складу, що і в період плавлення. Потужність, що подається на індуктор, знижують на 30-40 %. Після отримання результатів аналізу проводять легування, коригування складу металу і його розкислювання шляхом введення в тигель відповідних феросплавів, після чого метал зливають з тигля в ківш. Іноді при виплавці високоякісних сталей проводять дифузійне розкислювання металу. Для цього в шлак вводять розкислюючі суміші, що складаються з вапна, меленого феросиліцію, порошкоподібного алюмінію, роблячи витримку приблизно 30 хв.; циркуляція металу в тиглі індукційної печі прискорює розкислювання.

Феросплави при плавці в індукційній печі досаджують в наступному порядку: ферохром, феровольфрам і феромолібден вводять в завалку; феромарганець, феросиліцій і ферованадій - за 7-10 хв. до випуску; алюміній перед випуском. При такому порядку введення угар елементів наступний: вольфраму близько 2 %, хрому, марганцю і ванадію - 5-10 %, кремнію - 10-15 %, титану 25-35 %.

Плавка в печі з кислою футеровкою. Вміст сірки, фосфору і вуглецю не повинно перевищувати допустимих меж в сталі, що виплавляється. При виплавці сталей легованих хромом, вольфрамом і молібденом в завалку вводять ферохром, феровольфрам, феромолібден. Завантаження шихти і розплавлення ведуть так само як і в тиглі з основною футеровкою. Шлак під час плавлення шихти наводять добавками бою скла, шамоту і вапна.

Після розплавлення і аналізу відібраної проби металу проводять легування(коригування складу) і розкислювання. Феромарганець, феросиліцій і, якщо необхідно, ферованадій, вводять в метал на 7-10 хв. до випуску, алюміній безпосередньо перед випуском. Угар марганцю складає 10 %, кремній практично не угарає, угар вольфраму і молібдену близько 2 %, хрому 5 %.

2. Устрій обладнання

Індукційні печі ділять на два типи: 1) живлені струмом підвищеної частоти; 2) живлені струмом промислової частоти (50 Гц). У печах першого типу частота живлячого струму зазвичай знижується у міру зростання місткості і діаметру тигля; малі (декілька кілограм і менш) печі живляться струмом з частотою від 50 до 1000 кГц, середні і великі (місткістю до десятків тонн) струмами з частотою 0,5-10 кГц. Індукційна плавильна установка складається з печі з механізмом нахилу і генератора підвищеної частоти, батареї конденсаторів, щита управління і на великих печах - автоматичного регулятора електричного режиму).

Місткість індукційних печей досягає 60 т. Основні елементи печі - каркас, індуктор і вогнетривкий тигель, який іноді закривають кришкою.

Каркас(кожух) печей невеликої місткості(<0,5 т) роблять у формі прямокутного паралелепіпеда, використовуючи азбоцемент, дерево, виконуючи несучі ребра, з куточків і смуг немагнітної сталі, дюралюмінію. У місцях з'єднання металевих елементів укладають ізоляційні прокладки для виключення виникнення кільцевих струмів. Індуктор в такому каркасі кріплять до верхньої і нижньої опорним азбоцементним плитам. У печах середньої і великої місткості каркас виконують із сталі у вигляді суцільного кожуха циліндричної форми(рис2.1); і іноді у вигляді "білячої клітки", що є групою вертикальних стойок, приварених до верхнього і нижнього опорним кільцям.

Для зменшення нагріву таких каркасів індукованими струмами і втрат з потоками розсіювання використовують наступні конструктивні рішення:

а) каркас виконують з немагнітної сталі;

б) між каркасом із звичайної сталі і індуктором розміщують магнітопровід з декількох пакетів трансформаторної сталі, що розташовуються уздовж індуктора (рис2.1);

в) між індуктором і каркасом розміщують замкнутий електромагнітний екран з металу з низьким питомим опором(міді, алюмінію).

У каркасі жорстко кріплять індуктор, череневу плиту, верхню кераміку, пакети магнітопроводу. До передньої частини каркаса на рівні зливної шкарпетки прикріплюють дві цапфи, що необхідно для повороту печі при сливі металу.

Індуктор має форму порожнистого циліндра і утворений укладеними у вигляді спіралі витками з мідної трубки. Профілі вживаних мідних трубок показані на(рис. 2.2, а); рівностінні трубки використовують зазвичай для печей підвищеної частоти, а різностінні - для печей промислової частоти. Для виключення електричного пробою витки, як правило, ізолюють(на малих печах з невеликою напругою достатня повітряна ізоляція, що досягається проміжком між витками в 10-20 мм). Широко застосовують наступні види ізоляції :

· обмотувальну, коли витки покривають ізоляційним лаком і потім обмотують стрічкою з діелектричного матеріалу(склострічками);

· прокладочну, коли між покритими лаком витками закріплюють діелектричні прокладки (наприклад, із склотекстоліту);

· напилену, коли на поверхню трубки газополум'яним або плазмовим способом наносять шар окислу алюмінію або двоокису цирконію з подальшим покриттям лаком.

Іноді застосовують монолітну ізоляцію - покриті лаком витки заливають полімерним матеріалом(поліефірним компаундом), після застигання, якого утворюється монолітна конструкція.

Міцність і жорсткість індуктора, що є опорою футерування тигля, забезпечують, застосовуючи індуктори двох наступних різновидів : з кріпленням витків шпильками і стяжні індуктори. По-перше, до витків індуктора приварюють латунні шпильки; за допомогою шпильок і латунних гайок витки кріплять до декількох вертикальних стойок(рис. 2.2, б).

1 - індуктор; 2 - тигель; 3 - черенева плита; 4 - знімне склепіння; 5 - зливний носок; 6 - сталевий кожух; 7 - вісь повороту; 8 - магнітопровід з трансформаторної сталі

Рисунок 2.1 - Індукційна піч типу ІЧТ



1 - латунна шпилька; 2 - гайка; 3 - виток індуктора; 4 - стойка з ізоляційного матеріалу; 5 - стяжний болт; 6 - вертикальна рейка; 7-натискний фланець

Рисунок 2.2 - Профілі трубок для виготовлення індуктора(а) і способи кріплення витків індуктора (б, в)

З ізоляційного матеріалу - текстоліту, азбоцементу, дерева; стойки у свою чергу кріплять до опорних плит каркаса, розташованих над індуктором і під ним. У стяжних індукторах над верхнім і під нижнім витками розміщують натискні фланці, які стягують в осьовому напрямі за допомогою спеціальних болтів і вертикальних рейок з ізоляційного матеріалу(рис.2.2, в); вертикальні рейки перешкоджають зміщенню витків в поперечному напрямі. Для надання жорсткості індуктору і його кріплення в каркасі додатково використовують пакети магнітопроводу, які притискають до індуктора через ізолюючі прокладки за допомогою спеціальних натискних болтів.

Якщо індуктор виконаний монолітним, то в нім не потрібно додаткове кріплення витків, проте такі індуктори застосовують рідко із-за складності ремонту трубки у разі її ушкодження.

Футеровка індукційної печі складається з наступних основних елементів: тигля, череневої плити(подини), верхньої кераміки(коміра) із зливним носком. Черенева плита служить підставою для футеровки тигля і для індуктора; на середніх і великих печах її виконують з шамотних блоків або цегли, іноді на великих печах - з вогнетривкого бетону. На малих печах череневу плиту роблять також з декількох азбоцементних плит, укладених одна на одну.

Футеровку тигля, як правило, роблять набивною, при плавці вона спікається в моноліт; на великих печах тигель іноді викладають з цегли.

У футеровку індукційних тигельних печей обов'язково встановлюють сигналізатор, контролюючий стан футеровки.

Футеровка тигля повинна володіти наступними властивості: високою вогнетривкістю і шлакостійкістю; високою термостійкістю, оскільки при завантаженні шихти вона сильно охолоджується; високою механічною міцністю, щоб витримувати удари шихти при завантаженні; мінімальною товщиною, оскільки метал повинен знаходитися як можна ближче до індуктора, тобто у зоні найбільшої щільності індукованих струмів.

Футеровка може бути основна або кисла. Кислу, набивну футеровку виготовляють з подрібненого кварциту(фракції розміром менше 3,5 мм) або кварцового піску з добавкою в якості зв'язуючого борної кислоти (1,5-4 %) без зволоження. Для основних тиглів застосовують вогнетривкі суміші різних складів, найчастіше магнезитовий порошок; в якості зв'язуючого використовують вогнетривку глину, рідке скло, плавиковий шпат, борну кислоту та ін. Застосовують як зволожені, так і сухі суміші.

Перед набиванням тигля внутрішню поверхню індуктора покривають тонким ізолюючим шаром, наприклад, наносячи спеціальну ізоляційну обмазку з подальшим обклеюванням склострічкою; іноді додатково укладають теплоізоляційний шар з азбесту. На дно індуктора засипають шар футерувальної маси, трамбують її і потім встановлюють на неї залізний шаблон, зовнішні розміри якого відповідають внутрішнім розмірам тигля. У простір між шаблоном і індуктором засипають футерувальну суміш і ущільнюють її трамбовками. Потім виконують комір з фасонної цегли або спеціальних мас з підвищеною кількістю зв'язуючих. Після закінчення набивання футеровку сушать і спікають. Для цього, не виймаючи шаблону, включають плавильну установку; тепло, що виділяється в шаблоні, нагріває футеровку. Залежно від місткості тигля спікання триває від 1 до 4 ч для кислого тигля і від 2 до 10 ч для основного. Остаточне спікання з розплавленням шаблону відбувається під час першої плавки.

Стійкість кислих тиглів складає 20-250 плавок. Основна футеровка має меншу термостійкість і стійкість основних тиглів значно нижча(від 10 до 100 плавок; менша величина - для печей великої місткості).

Механізм нахилу призначений для нахилу печі при сливі металу. Метал з тигля зливають через зливний носок, повертаючи встановлений на двох цапфах каркас печі на кут до 95°. Нахил печі здійснюють лебідками, тельферами, а на великих печах встановлюють гідравлічний механізм нахилу.

Механізм підйому і повороту кришки зазвичай являє собою простий важільний або кулачковий механізм підйому, який дає змогу легко піднімати кришку на 10-20 мм, після чого його відводять у бік повороту кронштейну, на якому висить кришка. Можна піднімати кришку і невеликим гідравлічним циліндром.

3. Принцип дії обладнання

У основі роботи печі тигля лежить трансформаторний принцип передачі енергії індукцією від первинного ланцюга до вторинного.

Електрична енергія змінного струму, що підводиться до первинного ланцюга, перетворюється на електромагнітну, яка у вторинному ланцюзі переходить знову в електричну, а потім в теплову.

Індукційні тигельні печі також називають індукційними печами без сердечника. Піч являє собою тигель, як правило, циліндричної форми, виконаний з вогнетривкого матеріалу і поміщений в порожнину індуктора, підключеного до джерела змінного струму. Металева шихта(матеріал, що підлягає плавленню) завантажується в тигель і, поглинаючи електричну енергію, плавиться. У тигельній печі первинною обмоткою служить індуктор, обтічний змінним струмом, а вторинною обмоткою і одночасно навантаженням - сам розплавляємий метал, завантажений в тигель і поміщений всередину індуктора .

Магнітний потік в тигельній печі проходить в тому або іншому ступені по самій шихті. Тому для роботи печі без сердечника мають велике значення магнітні властивості, а також розміри і форма шматків шихти.

Коли в якості шихти застосовують феромагнітні метали, то до того моменту, поки їх температура ще не досягла точки Кюрі, тобто 740-770°С, їх магнітна проникність зберігає свою величину. У цьому випадку шихта гратиме роль не лише вторинної обмотки і навантаження, але і незамкнутого сердечника.

Потужність, а отже, і тепло, що виділяється вихровими струмами, які наводяться і циркулюють в садці, залежать від частоти змінного магнітного поля. При промисловій частоті 50 Гц концентрація енергії, що виділяється вихровими струмами, незначна і не перевищує декілька ватт на 1 см² поверхні. Тому для ефективної роботи печі без сердечника доводиться живити їх струмами підвищеної, а в окремих випадках і високої частоти, що досягається установкою спеціальних генераторів частоти.

Струм підвищеної частоти, проходячи через індуктор печі, забезпечує наведення в садці ЕРС індукції, яка в площинах, паралельних площині витків обмотки, викличе вихрові струми.

Внаслідок поверхневого ефекту ці наведені в садці струми досягають максимальної величини на зовнішній поверхні останньою і значно зменшуються від країв до середини. Таке зменшення щільності струму у міру видалення від поверхні до центру відбувається за складним законом(комбінація функцій Бесселя).

При великому перерізі провідника або при великій частоті струму зменшення щільності струму у міру видалення від поверхні до центру провідника відбувається за експоненціальним законом. У тигельній печі первинною обмоткою служить індуктор, обтічний змінним струмом, а вторинною обмоткою і одночасно навантаженням - сам метал, що розплавляється, завантажений в тигель і поміщений всередину індуктора. Через індуктор протікає змінний струм і створює овальне електромагнітне поле. Електромагнітне поле пронизує метал, що проводить, усередині індуктора і наводить згідно із законом індукції вихрові струми. Згідно із законом Йолша при виникненні вихрових струмів відбувається нагрів металу. Якщо подається достатня кількість електроенергії, то починається процес плавки металу. Викликаний струмом індуктора електромагнітний потік проходить частково через розплав і через шар тигля. Стінка шару тигля поглинає більшу кількість електромагнітного потоку. Утворення електромагнітних полів призводить до появи електромагнітних сил. Ці електромагнітні сили викликають в індукційній печі ефект руху розплаву і утворення сводообразного куполу розплавленого металу. Рух і циркуляція розплаву металу в індукційній печі дуже важливий для того, щоб могла статися гомогенізація розплаву і заміс додаткових лігатур.

4. Розрахунок основних розмірів печі

Розрахувати індукційну тигельну піч ємністю 10 тонн для плавки чавуну. Температура перегріву чавуну Продуктивність печі 4 т/год. Відбір металу із печі кожні 15 хв. Розрахунок ведеться на 1 годину роботи печі.

Так як піч працює у режимі з «болотом», середній діаметр складових шихти дорівнює внутрішньому діаметру тигля, який і варто визначити.

Корисна ємність тигля:

, (4.1)

де G - ємність тигля, кг; г - щільність рідкого металу, кг/м³

Основні геометричні розміри тигля (рис.1.1):

· внутрішній діаметр:

, (4.2)

де - висота тигля, м

,

де - корисна висота тигля;

· корисна висота:

(4.3)

· товщина футеровки у середньому перетині тигля:

(4.4)

Товщина 0,16 м ділиться відповідно на дві складові: азбест (S₁=0,01 м) та набивка кварцова (S₂=0,15 м) .



Рисунок 4.1 - Основні геометричні розміри тигля

Внутрішній діаметр індуктора:

(4.5)

В печах підвищеної частоти зазвичай приймають симетричне розташування індуктора по відношенню до садки; в цьому випадку приймається висота індуктора, м,

(4.6)

В печах промислової частоти з метою зниження висоти меніска і інтенсивності циркуляції розплаву у дзеркала ванни верхній рівень індуктора розташовується на 5-15% нижче рівня розплаву, а висота індуктора визначається зі співвідношенням, м,

(4.7)

З умови достатньо високого електричного ККД системи індуктор-садка частота струму повинна бути не нижче значення, пер/с:

 , (4.8)

де - питомий опір рідкого металу завантаження, Ом·м;

- магнітна проникність рідкого металу, =1 мкГн/м;

- середній діаметр складових шихти, м.

Перевіряємо значення мінімальної частоти:

(4.9)

Вказана частота практично забезпечує нормальну роботу печі. Приймаємо промислову частоту струму живлення печі 50 пер/с.

5. Тепловий розрахунок печі

Корисна потужність, яка необхідна для нагріву, розплавлення і перегріву металу до температури розливки, кВт:

, (5.1)

де Q - продуктивність печі, кг/год; С_тв, С_рід - питома теплоємність металу відповідно у твердому та рідкому стані, кДж/(кг·К); Т_пл, Т₀ - температура відповідно плавлення металу та початкова температура металу, К; Т_р - температура випуску металу, К; q_пл - питома прихована теплота плавлення, кДж/кг.

Приймаємо Т₀ = 293 К; Т_пл= 1573 К; Т_р = 1813 К:

Розраховуючи теплові втрати через бокову поверхню, температуру Т приймаємо рівною температурі рідкого металу Т_р = 1540, а температуру Т_нар - рівною температурі води на виході індуктора (50).

Футеровка виконується із кварциту, причому із загальної товщини () частина (0,01 м) виконується із азбесту , частина (0,15 м) із кварцитової набивки.

Тоді,

Згідно додатку 1:

Визначаємо температури шарів, значення теплопровідності та інші параметри:

(5.2)

 (5.3)

Теплові опори в холодному стані всієї стінки та її окремих шарів:

(5.4)

(2.5)

(5.6)

Знаючи перепади температури визначаємо середні температури всіх шарів стінки:

Згідно додатку 1 знаходимо:

;

.

Тоді за додатком 2:

Згідно з додатком 1:

;

.

Прийнявши Т=1813 , Т_нар=323 К, знаходимо теплові втрати через бокову поверхню тигля:

, (5.7)

де Т - температура внутрішньої поверхні тигля, приймається рівною температурі рідкого металу Т_р, К; Т_зов - температура зовнішньої стінки азбестового циліндру, приймається рівною температурі води, щ о охолоджує індуктор (40…60), К; - теплопровідність відповідно набивної частини тигля та азбесту при середній температурі шару (додаток 1,2), Вт/(мК); - середня висота теплопровідного шару відповідно набивної частини тигля та азбесту, м; - внутрішній та зовнішній діаметри відповідно набивної частини тигля та азбесту, м .

Черінь складається з двох шарів: кварцитова набивка товщиною S₁=0,34 м, азбест товщиною S₂=0,01 м.

Середня розрахункова площа набивки визначається наступним чином:

(5.8)

(2.9)

Середня розрахункова площа азбесту:

Коефіцієнт тепловіддачі вибираємо з додатку 3:

Теплопровідність дорівнює:

;

.

Згідно додатку 1 знаходимо:

;

.

Тоді за додатком 2:

Згідно з додатком 1:

;

.

Прийнявши Т=1763 К, Т_навк=293 К розраховуємо:

, (5.10)

де Т_навк - температура навколишнього повітря, К; - товщина відповідного шару футеровки, м; - середня розрахункова площа шару, ; - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої стінки в навколишнє середовище, Вт; - площа зовнішньої стінки,

На поверхні рідкого чавуну завжди знаходиться шлак, ступінь чорноти е якого можна прийняти рівною 0,65, тому коефіцієнт випромінювання дорівнює:

 (5.11)

Внутрішній діаметр тигля , висота тигля над металом приймається В=0,35 м, тоді А/В=1,9/0,35=5,4. Згідно з рис.2.1 коефіцієнт діафрагмування ш=0,82. Приймаємо Т = Т_р- 100 = 1713 К.

Рисунок 5.1 - Графік для визначення значення ш

Тоді визначаємо втрати випромінювання з відкритою поверхнею металу:

, кВт, (5.12)

де - коефіцієнт випромінювання, ; F - площа випромінюваної поверхні металу, ; - коефіцієнт діафрагмування.

Втрати через кришку розраховуємо, виходячи з наступних даних: Т=1390, Т_навк=20. Температура кришки дорівнює 100. Товщина футеровки з кварциту S₁=0,1 м, S₂=0,05 м.

Визначаємо температури шарів,для цього необхідно визначити площу:



Тоді,

Згідно з додатком 1:

;

.

Згідно з додатком 1:

;

.

Визначаємо втрати через кришку:

, кВт, (5.13)

де - коефіцієнт теплопередачі кришки, який знаходимо за допомогою додатку 3, =14,6

Невраховані втрати складають 20% від сумарних втрат.

Теплові втрати печі:

, (5.14)

де - коефіцієнт, який визначає відносний час, протягом якого піч працює відповідно з відкритою та закритою кришкою ( при наявності у печі кришки .

Активна потужність, яка подається до садки, кВт:

, (5.15)

Тепловий ККД печі:

, (5.16)

6. Електричний розрахунок

Відносний діаметр металу в гарячому режимі роботи печі:

(6.1)

Умова виконується, тобто обрана раніше частота забезпечує розплавлення шихти, однак, враховуючи роботу печі з «болотом», визначаємо коефіцієнт магнітного розсіювання .

Для геометричних відношень:

За рис. 3.1 знаходимо .

Обчислюємо поправку:

 , (6.2)

де - глибина проникнення електричного струму в метал, м.

Рисунок 6.1. - Номограма для визначення коефіцієнта магнітного розсіювання (суцільна лінія відповідає

Знаходимо коефіцієнт магнітного розсіювання:

(6.3)

Настил струму в індукторі:

(6.4)

Реактивна потужність:

Згідно таблиць обираємо трансформатор ЕОМ-4200/10-73.

Реактивна потужність в зазорі:

(6.5)

Товщина внутрішньої стінки трубки індуктора, м :

, (6.6)

де - питомий активний опір міді індуктора при робочій температурі (приймається рівною 1,75·10^-8Ом·м), розраховується за формулою:

(6.7)

Товщина трубки індуктора:

Приймаємо К_з=0,85.

Активна потужність в індукторі, кВт:

(6.8)

Реактивна потужність в металі:

Загальна активна потужність системи індуктор - метал:

 (6.9)

Загальна реактивна потужність:

(6.10)

Повна потужність системи індуктор - метал, кВ·А:

(3.11)

Сила струму в індукторі, А:

, (6.12)

де - напруга обраного перетворювача частоти або трансформатору для печей промислової частоти, В.

Повне число витків індуктора:

(6.13)

Приймаємо 40 витків.

Крок витка індуктора, м:

(6.14)

Мінімальний зазор між витками, мм:

(6.15)

Діаметр трубки індуктора

Приймаємо трубку з товщиною стінки 2 мм. На бік,звернену до тиглю, напаюємо мідну пластину товщиною 13 мм.

Електричний ККД системи індуктор - метал:

(6.16)

Природній коефіцієнт потужності печі:

(3.17)

Ємність конденсаторної батареї для компенсації реактивної потужності, мкФ:

 (6.18)

Необхідна кількість конденсаторних батарей:

, (6.19)

де C - ємність однієї конденсаторної батареї, мкФ.

Приймаємо 35 батарей типу КСЕ-1,05-75-У4.

7. Розрахунок магнітопроводу

Висота пакету магнітопроводу, м:

(7.1)

Задаємо значення:

За рисунком 4.1 знаходимо



Рисунок 7.1 - Залежність магнітного потоку в пакетах магнітопроводу від геометричних параметрів печі

Повний магнітний потік, створюваний індуктором, Вб:

(7.2)

Звідси,

(7.3)

Корисна площа перетину, м²:

· загальна

, (7.4)

де - значення магнітної індукції, допустиме за мінімумом питомих втрат потужності, які викликають нагрів магнітопроводу, рівне 0,6 Тл при промисловій частоті та 0,15…0,05 Тл - при підвищеній частоті.

· кожного пакету

(4.5)

Електричні втрати в пакеті магнітопроводу, Вт:

, (7.6)

де - висота пакету магнітопроводу; - густина: для гарячекатаної сталі для холоднокатаної сталі ; - питомі втрати у сталі на вихрові точки та гістерезис.

Площа поверхні охолодження пакету магнітопроводу, м²:

(7.7)

де - ширина пакету за периметром, м; - радіальна товщина пакету, м.

Перевіряємо умову:

, Вт (7.8)

Умова виконується, отже, площа перетину магнітопроводу вибрана правильно.

8. Розрахунок охолодження індуктора

Потужність, яка повинна бути відведена охолодженням індуктора, кВт:

(8.1)

Витрата охолоджуючої води, л/с:

(8.2)

де

- питома теплоємність води, кДж/(кг·К)

Швидкість охолодження води, м/с:

(8.3)

де - площа перетину отвору трубки індуктора, м².

Перевіряємо умову:

(8.4)

де - кінематична в'язкість води при температурі t_ср, м²/с.

,

отже, режим води в індукторі відповідає турбулентному.

Тоді розраховуємо число Прандтля:

, (8.5)

де - температуропровідність води, м²/с.

Знаходимо число Нусельта:

(5.6)

Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К):

(8.7)

Потужність, реально знімна охолоджуючої водою, кВт:

 (8.8)

де - температура стінки індуктора; П - внутрішній периметр трубки, м, П=р; - розгорнута довжина трубки індуктора, м:

(8.9)

- коефіцієнт, який враховує нерівномірність розподілення теплового потоку по периметру трубки (.

Перепад тиску по довжині трубки індуктора, Па:

(8.10)

Отриманий результат не перевищує тиск в напірному водопроводі Р_В=(2…3)·10⁵, тобто розділення індуктора на секції не потрібно.

9. Визначення напружень в гідроциліндрі

Діаметр поршня гідроциліндраD_порш=163 мм і робочий тиск

Р_р=10⁶ Н/м². Корпус гідроциліндра виготовлений із сталі 40Х з товщиною стінки д = 0,0185 м. Шток гідроциліндра виготовлений із сталі 12ХНЗА, діаметр штоку дорівнює d_шт = (0,47-0,48)·D_порш. Хід штоку складає

l_шт =2,25 м.

В гідроциліндрах окружні напруження в два рази вищі, ніж меридіальні. Тому розрахунок на міцність проводиться по окружним напруженням. Якщо товщина стінки гідроциліндра (д?0,1r) радіуса поршня, то він вважається тонкостінним. Тоді окружні напруження розраховуються по рівнянню Лапласа:

(9.1)

де Р_р - робочий тиск в гідроциліндрі, Н/м²;r- радіус поршня гідроциліндра, м;д - товщина стінки гідроциліндра, м.

Якщо товщина стінки гідроциліндра (д?0,1r) радіуса поршня, то окружні напруження на внутрішній стінці більші і розраховуються по формулі для товстостінних циліндрів:

(9.2)

де r₁ - внутрішній радіус гідроциліндра, м (r₁ = r); r₂- зовнішній радіус гідроциліндра, м (r₂ = r₁ + д);P_р - робочий тиск в гідроциліндрі, Н/м².

0,0185 ? 0,1 · 0,0815

0,0185 м ? 0,00815 м

Умова міцності для матеріалу корпуса гідроциліндра має вигляд:

(9.3)

де - допустимі напруження для матеріалу корпуса гідроциліндра (II категорія навантажень - .

Коефіцієнт запасу гідроциліндра по міцності складає:

 (9.4)

Із умови міцності мінімальна товщина стінки гідроциліндра може бути:

(9.5)

Коефіцієнт запасу по товщині стінки складає:

(9.6)

Таким чином, корпус гідроциліндра виготовлений з загальним коефіцієнтом запасу п.

Шток гідроциліндра відчуває зусилля N, яке створюється робочим тиском в циліндрі на поршень:

(9.7)

де - діаметра поршня гідроциліндра, м.

Напруження в штоку дорівнює:

 (9.8)

де - площа штоку гідроциліндра, м².

- допустимі напруження для матеріалу штока гідроциліндра (IIкатегорія навантажень - .

(9.9)

де d_шт- діаметр штоку гідроциліндра, м.

Коефіцієнт запасу штока гідроциліндра по міцності визначається по формулі (6.4).

Шток гідроциліндра необхідно перевірити на стійкість.

Гнучкість штоку складає:

(9.10)

де - коефіцієнт, що враховує умови закріплення штоку (=1,0); - хід штоку, м; = мінімальний радіус інерції штоку, м.

(9.11)

де - мінімальний осьовий момент штоку, м⁴.

Мінімальний осьовий момент штоку визначається по формулі:

(9.12)

Якщо гнучкість штоку л?100, то критичну силу N_кр, при якій шток втратить свою стійкість, необхідно визначати по емпіричним залежностям Ясинського Ф.С.:

(9.13)

де - емпіричні коефіцієнти, (для нелегованих сталей , ; для легованих сталей ,

.

Якщо гнучкість штоку л?100, токритична сила N_кр, при якій шток втратить свою стійкість визначається по рівнянню Ейлера:

(9.14)

де Е - модуль пружності матеріалу, Н/м² (для сталі Е= 2 · 10¹¹ Н/м²).

Так як гнучкість штоку л?100, то критичну силу визначаємо за рівнянням (6.14):

Коефіцієнт запасу по стійкості:

(9.15)

Таким чином, шток виготовлений з більш високим загальним коефіцієнтом запасу, внаслідок того, що при незначному перекосі прикладення навантаження по осі в штоку можуть виникнути не тільки стискаючі напруження, але і згинальні.

Висновки

В результаті виконання даної роботи була розроблена конструкція індукційної тигельної печі ІЧТ -10. Виконано розрахунок основних розмірів печі: V=1,5 м³ , d_т =1,9 м, h_т =1,9 м. Дана піч надає можливість розплавлення металів і приготування сплавів , міксерування металів і сплавів. Технологічний процес здійснюється за рахунок споживання теплоти і тому підвід теплоти є першою необхідною умовою здійснення технологічного процесу в печі , друга необхідна умова - передача теплоти матеріалу, що нагрівається .

Індукційна піч відноситься до печі-теплогенератору , в якій теплота виділяється всередині зони проведення теплотехнічного процесу , зовнішній теплообмін майже відсутній. При підвищенні частоти струму зменшується інтенсивність руху металу в тиглі , що дозволяє збільшити підведену питому потужність і швидкість плавки , але це здорожує електрообладнання і знижує ККД при витримці і перегрів рідкого металу.

Індукційні печі мають наступні переваги в порівнянні з дуговими:

1) відсутні високотемпературні дуги, що зменшує поглинання водню і азоту і угар металу при плавленні;

2) незначний угар легуючих елементів при переплавці легованих відходів;

3) малі габарити печей, що дозволяють помістити їх в закриті камери і вести плавку і розливання у вакуумі або в атмосфері інертного газу;

4) електродинамічне перемішування, сприяюче отриманню однорідного по складу і температурі металу.

Основними недоліками індукційних печей є мала стійкість основної футеровки і низька температура шлаків, які нагріваються від металу; із-за холодних шлаків ускладнено видалення фосфору і сірки при плавці.

Перелік посилань

1. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства - М.: Металлургия, 1984 - 160 с.

2. Воскобойников В.Г. Общая металлургия. Изд.-М.: «Металлургия», 1979 - 487 с.

3. Сокунов, Б.А. Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп. /Б.А. Сокунов, Л.С. Гробова, Иванова, Л.И. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2002. 105 с.

4. Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисциплін “Сучасні

методи лиття (обладнання)” і “Спеціальні види лиття (обладнання)” для студентів напряму підготовки 6.050402 “Ливарне виробництво” і 6.050502 “Інженерна механіка” усіх форм навчання / Укладачі: В.В. Кудін, В.Є. Самойлов, Є.М. Парахнєвич. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2010. - 48 с.

5. Горский А.И., Геллер Р.Л., Лиокумович Л.Ф. Расчеты машин литейного производства. - М.: Машиностроение, 1966. - 404 с.

6. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук, думка, 1988. - 736 с.

7. http://plavim.105mb.ru/princip_raboty_indukcionnyh_pechei_iznutri.html

Размещено на Allbest.ru