Расчёт индукционной канальной печи для плавки цинка

12

32

Содержание

Введение

1. Обзор аналогичных плавильных установок

2. Расчет основных параметров плавильного агрегата

3. Подбор плавильного агрегата и его обоснование

4. Подбор шихты для проведения процесса плавки

5. Описание работы спроектированного агрегата

6. Техника безопасности при эксплуатации плавильного агрегата

7. Экологические мероприятия

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

1. Введение

1.1 Классификация печей литейного производства

В печах литейного производства различных конструкций осуществляются следующие технологические операции:

- сушка исходных формовочных материалов;

- сушка форм и стержней;

- сушка и нагрев шихтовых материалов;

- расплавление металлов и приготовление сплавов;

- миксирование металлов и сплавов;

- термическая обработка отливок.

Во всех печах технологический процесс осуществляется за счет потребления теплоты и поэтому подвод теплоты является первым необходимым условием осуществления технологического процесса в печи.

Второе условие работы печей -- передача теплоты нагреваемому материалу. Она осуществляется в рабочем пространстве печи. Таким образом, каждый тепловой агрегат (печь) состоит из двух основных элементов: рабочего пространства и источника теплоты.

В связи с большим разнообразием печного оборудования и технологических процессов тепловой обработки материалов, применяемых в литейном производстве, создать единую классификацию печей весьма трудно. Ниже приводятся основные признаки, по которым могут быть сгруппированы печи литейных цехов:

-технологическое назначение (плавильные, нагревательные, сушильные);

-температурный уровень процесса (низко-, средне- и высокотемпературные);

-источник теплоты (топливные и электрические);

-способ передачи теплоты от источника к материалу (печи с конвективным и лучистым теплообменом, так называемые бесконтактные, и печи контактные, в которых к материалу подводится энергия, а теплота выделяется непосредственно в самом материале);

-атмосфера, создаваемая в печи;

-форма пространства, в котором происходит нагрев материала (шахтные, ванные, камерные, барабанные и другие печи);

-реализация процесса нагрева во времени (печи непрерывного и периодического действий);

-способ утилизации теплоты газов после окончания теплообмена с материалом.

Кроме основных для классификации печей могут быть предложены и второстепенные признаки, например, плавильные печи могут быть разделены по видам расплавляемых материалов (для плавки стали, чугуна и цветных сплавов), сушильные -- по видам материалов, подвергаемых сушке и т. п.

Анализ перечисленных признаков показывает, что печи, отнесенные по одному признаку к разным группам, по другому -- должны быть объединены в одну группу. Это создает большие трудности при классификации. Например, электрические плавильные печи могут быть отнесены как к бесконтактным (печи с независимой дугой, которая образуется между электродами), так и к контактным (трехфазные дуговые печи), к среднетемпературным, если они применяются для плавки чугуна и медных сплавов, и высокотемпературным, если они применяются для плавки сталей и т. п.

1.2 Индукционная канальная печь

В литейных цехах с каждым годом всё более широкое применение находит плавка чёрных и цветных металлов в индукционных плавильных печах. Индукционные плавильные печи по сравнению с другими плавильными агрегатами обладают существенными преимуществами. К ним относятся: отсутствие источников загрязнения жидкого металла; высокий равномерный нагрев всей массы металла вследствие его перемешивания под воздействием электродинамических сил; более низкий угар легирующих элементов; высокий электрический КПД; возможность плавки и разливки в вакууме или в атмосфере защитного газа.

К недостаткам индукционных печей относятся: относительно невысокая температура шлака, затрудняющая процесс рафинирования металла; невысокая стойкость основной футеровки; высокая стоимость электрооборудования. Эти недостатки индукционных печей в значительной степени компенсируются их преимуществами.

В данной курсовой работе рассчитывается индукционная канальная печь для плавки цветных сплавов (а именно, цинка и его сплавов). В соответствии с ГОСТ 10487--75 индукционные канальные печи (ИКП) используют для плавки: алюминия и его сплавов (печи ИАК); меди и ее сплавов -- латуней (ИЛК), цинка и его сплавов (ИЦК). Печи ИЦК применяют, как правило, для плавки катодного цинка. Для повышения стойкости футеровки при эксплуатации ИКП не рекомендуется использовать загрязненные шихтовые материалы, стружку, сплавы на медной основе, в состав которых входят свинец и олово. При перерывах в работе печи в канале должен быть остаток металла для создания замкнутой вторичной цепи.

ИКП по сравнению с индукционными тигельными печами (ИТП) характеризуются более высоким КПД (на 25--30%), в 3--4 раза повышенным значением соs ц. ИКП занимают меньше места и дешевле тигельных.

В качестве плавильных печей канальные печи используют при выплавке алюминия, меди и латуни. Кроме того, канальные печи применяют в качестве раздаточных печей, устанавливаемых непосредственно у заливочной машины.

Канальная печь представляет собой ванну, изготовленную из огнеупорных материалов и облицованную стальным кожухом. В нижней части ванны расположены индукционные единицы -- нагреватели. Каждая индукционная единица имеет канал, в котором находится жидкий металл.

Жидкий металл, находящийся в индукционной единице, образует с жидким металлом, находящимся в ванне печи, замкнутое кольцо. Это кольцо представляет собой как бы вторичный виток трансформатора с сердечником, имеющего в качестве первичной обмотки -- обмотку индуктора. В первичной обмотке при её к электрической сети течёт ток. Вокруг первичной обмотки создается магнитное поле, под действием которого в жидком металле, находящемся в канале, возникает электрический ток. В результате этого теплота, выделяющаяся в жидком металле, повышает его температуру.

Необходимым условием работы печей подобного типа является постоянное наличие жидкого металла в канале. При отсутствии жидкого металла в канале электрическая цепь разрывается, останавливая работу печи. Печь перед пуском заливают жидким металлом и лишь только после этого включают в сеть индукционную единицу.

В жидком металле, находящемся в канале под воздействием магнитного поля, возникают электродинамические силы, стремящиеся вытолкнуть металл из канала. Если слой жидкого металла в печи небольшой, то металл в канале разрывается. Поэтому слой металла в печи над каналом должен быть строго определённой толщины.

2. Обзор аналогичных плавильных установок

В зависимости от назначения индукционные канальные печи подразделяют на миксеры, раздаточные печи и плавильные печи.

Миксеры. Этот вид оборудования предназначен для накопления определенного количества жидкого металла и выдержки его при заданной температуре. В миксере происходит усреднение химического состава металла различных плавок, поэтому вместимость миксера, как правило, принимают равной не менее двукратной часовой производительности плавильных печей.

Рис. 1

На рис.1 показана индукционная канальная печь типа ИЧКМ, работающая как миксер при производстве чугуна. Вместимость печи: общая 42 т, полезная 30 т и болота 12 т. Печь представляет собой вертикально расположенный цилиндр с наружным диаметром 3160 мм и высотой ~2 м. Внутренний диаметр печи внизу 2200 мм, вверху 2345 мм. Печь имеет два объемных индуктора 14 мощностью 700 кВт каждый. Верх печи закрыт съемной футерованной крышкой 4. Для слива металла из печи предусмотрен сифонный желоб 3. Наличие сифона исключает попадание воздуха в печь и уменьшает тем самым угар элементов. Для залива металла в печь имеется другой сифонный желоб, помещенный на той же стенке печи, что и сливной. Оба желоба i расположены таким образом, что металл, поступающий в печь, не может сразу же перетечь в сливной желоб. На пути металла в печи имеется пространство с интенсивной циркуляцией металла, возникающей при работе индуктора.

Для скачивания шлака из печи предусмотрено окно 5, закрываемое дверцей 6. Наклон печи производится двумя гидроцилиндрами 2. Для наклона печи используются стойки 11 и 13 и отверстия 10, 12 в корпусе печи. Для слива металла требуется вставить ось в отверстие 10 в корпусе печи и соответствующее отверстие в стойке 11. Если необходимо наклонить печь в сторону шлакового окна, соединительная ось (при исходном положении печи) соединяет стойку 13 с корпусом печи. Для присоединения индукторов в днище печи имеются отверстия 7. Они расширены в сторону рабочего пространства печи, что исключает перегрев жидкого металла в этой части печи, а следовательно, улучшает условия работы футеровки. Каждый индуктор имеет замкнутый магнитопровод 9 и охлаждаемую воздухом катушку 8.

При замене индуктора печь поворачивают таким образом, чтобы присоединительная плоскость кожуха печи расположилась вертикально. Индукционная печь установлена в приямке, который имеет углубление 1, предназначенное для сбора жидкого металла и шлака.

Промышленность изготовляет индукционные канальные печи для выдержки и перегрева чугуна ИЧКМ-6/0,5; ИЧКМ-16/0,5; ИЧКМ-40/1,0. Их производительность при перегреве жидкого чугуна на 100 °С составляет 14, 12 и 24 т/ч.

Раздаточные печи. Этот тип печей предназначен для заливки жидкого металла непосредственно в форму. Для выдачи металла из печи применяют механизмы наклона печи, электродинамические насосы и избыточное давление газа над уровнем металла в печи.

Рис. 2

На рис. 2 показана схема индукционной канальной печи с использованием избыточного давления газа для выдачи металла. Ванна 5 печи закрыта герметичной крышкой 3. Металл заливают в печь через заливочный сифон 2, а в форму через разливочный сифон 8, верхняя часть которого выполнена в виде ванны с отверстием 6.

Через трубку 4 в рабочее пространство печи подается сжатый воздух или инертный газ. Под действием давления воздуха жидкий металл вытесняется из ванны в заливочный и разливочный сифоны. Количество металла, вытекающего через отверстие 6 в форму 7, регулируется с достаточной точностью по заданной программе. Обогрев печи осуществляется индуктором

Для использования печи с различными транспортными системами формовочной линии печь может быть установлена на тележку, перемещающуюся в продольном и поперечном направлениях. Печи подобного типа имеют вместимость до 20 т.

Промышленность изготовляет для заливки жидкого чугуна непосредственно в литейные формы печи: ИЧКР-0,6/0,06; ИЧКР-2,5/0,15; ИЧКР-6,0/0,15. Их производительность при перегреве жидкого чугуна на 100 °С составляет 1,35; 4,05 и 3,65 т/ч.

Основные узлы индукционной канальной печи. Каркас печи должен быть достаточно прочным и жестким. Его изготовляют из низкоуглеродистой стали (0,1% С) толщиной 30--70 мм. В нижней части каркаса имеются окна с фланцами, к которым присоединяют индукторы. По всей поверхности каркаса просверлены отверстия диаметром 5мм с шагом 300мм, через которые удаляется пар, образующийся при сушке футеровки.

Футеровка влияет на продолжительность работы печи до очередного ремонта. В зависимости от конструкции и назначения печи для этой цели применяют различные огнеупорные материалы. Время сушки и разогрева новой футеровки печи зависит от типа применяемых огнеупоров. Футеровка, выполненная из обожженных кирпичей, допускает скорость нагрева до 45 °С/ч, футеровка из заливной массы (бетона) -- 10--20 °С/ч, из набивной массы -- 20--40 °С/ч, из так называемой сухой массы -- до 100 °С/ч.

Печь (см. рис. 1) футерована огнеупорами нескольких марок. Внутренний слой футеровки, соприкасающийся с жидким металлом, находится в наиболее тяжелых условиях -- подвержен большим механическим нагрузкам и химическим тепловым воздействиям. Внутренний слой футеровки печи должен иметь высокую механическую прочность, огнеупорность, шлакоустойчивость и термостойкость. Этот слой выполнен из заливной массы (бетона), содержащей до 90% А1₂О₃. Для следующего слоя применяют огнеупор, содержащий 60% А1₂О₃, для третьего слоя -- обычный шамотный огнеупор, для теплоизоляционного слоя -- асбестовые плиты, укладываемые по всей внутренней поверхности каркаса печи.

В процессе эксплуатации печи наблюдается разрушение футеровки, особенно в местах взаимодействия со шлаком. Наличие в шлаке СаО и SiO₂ приводит к взаимодействию шлака с футеровкой и образованию соединения СаО* Al₂O₃*2SiO₂, имеющего температуру плавления 1550 °С. Чем больше шлака и чем выше в нем концентрация СаО и SiO₂, тем интенсивнее идет разгар футеровки печи. При благоприятном шлаковом и температурном режиме канальные печи при производстве чугуна работают не менее 5 лет до очередного ремонта.

По мере разгара футеровки производится ее ремонт. Печь сливается до болота, и на дефектное место е помощью торкрет-машины наносят соответствующую огнеупорную массу. После прогрева отремонтированного места печь вновь заполняют металлом.

Рис.3

1-магнитопровод,2- футеровка,3- вентилятор, 4- фланец, 5- экран, 6- вывод, 7- шаблон, 8- перемычка, 9-катушка,10- штырь, 11- корпус

Индуктор состоит из стального корпуса, футеровки, магнитопровода, катушки и элементов охлаждения корпуса и катушки. Корпус индуктора не должен образовывать замкнутый электрический контур вокруг магнитопровода, иначе в нем самом будет индуктироваться вихревой ток. Из этих соображений корпус выполняют разъемным и отдельные его части изолируют друг от друга.

Для футеровки индуктора применяют влажные или сухие огнеупорные массы. Влажные массы используют в виде заливных и набивных материалов. Заливные массы (бетоны) применяют при сложном профиле индуктора тогда, когда невозможно уплотнить набивную массу по всему объему индуктора. Заливной массой заполняют сразу весь индуктор и уплотняют погружными электрическими вибраторами. Набивной массой заполняют индуктор послойно и послойно уплотняют пневматическими трамбовками. Сухие массы засыпают в индуктор и уплотняют электрическими высокочастотными вибраторами. Применение сухих масс для индукторов позволяет исключить процесс сушки индуктора перед его установкой на печь. При производстве цинка футеровку индуктора изготовляют из огнеупорных масс, содержащих до 98% MgO.

Магнитопровод индуктора собирают из отдельных пластин трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов отдельные пластины изолированы друг от друга. Размеры поперечного сечения стержня магнитопровода, т. е. той его части, на которую надевают катушку, зависят от мощности индуктора. После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Стяжные планки, шпильки, болты изолируют от пластин магнитопровода электрокартоном для предотвращения образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода.

Катушку индуктора изготовляют из медного профилированного провода. Сечение витка катушки выбирают в зависимости от номинального нагрузочного тока и способа ее охлаждения. При воздушном охлаждении допускается сила тока до 4 А/мм², при водяном -- до 20 А/мм². Катушку крепят на магнитопроводе с помощью клиньев из изоляционного материала. Зазор между катушкой и магнитопроводом используют для подачи по нему воздуха, охлаждающего катушку. Между катушкой и футеровкой, как правило, устанавливают водоохлаждаемый экран из немагнитной стали или меди, предохраняющий катушку от перегрева. В зависимости от числа витков катушку изготовляют однослойной или многослойной.

Для предохранения от перегрева элементов индуктора (корпуса, экрана катушки, катушки) предусмотрено их принудительное охлаждение. Корпус и экран катушки охлаждаются водой. Катушка охлаждается водой или воздухом.

На рис. 3. показан съемный индуктор, подготовленный к установке на печь. В индукторе установлен шаблон, профиль которого соответствует профилю канала. Шаблон представляет собой полую стальную отливку. Его устанавливают в индуктор до заполнения огнеупорной массой. Концы шаблона, выступающие из индуктора, соединены между собой стальной перемычкой с помощью электросварки. Шаблон предназначен, во-первых, для получения точных размеров канала и, во-вторых, для сушки и разогрева футеровки индуктора перед его заполнением жидким металлом.

Индуктор имеет воздушное охлаждение катушки и водяное охлаждение корпуса и экрана. Для охлаждения катушки на индукторе установлен центробежный вентилятор, всасывающая сторона которого соединена с пространством, где расположена катушка.

Индуктор крепят к каркасу печи с помощью болтов. Для лучшего отделения индуктора при снятии его с печи верхнюю часть его футеровки, соприкасающуюся с футеровкой печи, предварительно покрывают тонким слоем неспекающейся массы. К корпусу индуктора приварены два штыря, используемые при транспортировании и монтаже индуктора.

В процессе работы индуктора наблюдается износ его футеровки, что может привести к остановке печи. Состояние футеровки индуктора обычно оценивают по температуре воды, охлаждающей элементы индуктора. При разрушении футеровки жидкий металл, заполняющий канал, приближается к водоохлаждаемым элементам, и температура воды повышается. Это служит сигналом для замены индуктора до его выхода из строя. Однако этот способ контроля не эффективен при прогаре футеровки в той части индуктора, где отсутствует охлаждение.

3. Расчет основных параметров плавильного агрегата

Исходные данные для расчёта:

Емкость - 8 тонн;

Мощность - 1300 кВт;

Производительность - 6 тонн/час;

Частота тока - 50 Гц;

Сплав - цинковый.

1. Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу, кВт:

Р_пол = W_теор*?t*П = 0,298*800*5,5 = 1430,4 кВт.

где, W_теор - теоретический удельный расход энергии для перегрева металла на 1^?С, кВт*ч/т; ?t - температура перегрева металла в печи, ^?С ; П - производительность печи, т/ч.

2. Активная мощность печи, кВт:

Р = Р_пол / Ю_терм = 1311,2 / 0,76 = 1892,1 кВт.

где, Ю_терм -термический КПД печи, равный 0,7 - 0,85 (принимаем значение 0,76).

Принимаем Р = 1900 кВт.

3. Активная мощность индуктора, кВт:

Р_инд = Р / N = 1900/ 2 = 950 кВт.

где, N - число индукторов на печи.

4. Площадь поперечного сечения стержня магнитопровода индуктора, см²:

F_мг = =

= 0,3*(10⁵*950*1/(1,85*19*50*0,4))^0,5 = 110,3 см².

где, ш - коэффициент, отношение массы стали магнитопровода к массе меди катушки индуктора, ш = 0,9 - 1,3; В - магнитная индукция в стержне магнитопровода, Тл, j₁ - допустимая плотность электрического тока в катушке; при водяном охлаждении j₁ ? 20 А / мм²; cosц - коэффициент мощности индуктора, cosц = 0,35 - 0,5.

5. Диаметр стержня магнитопровода, мм:

d_мг = =11,3*(110,3/0,8) ^0,5 = 132 мм.

где, k_d - коэффициент заполнения окружности стержнем, k_d = 0,78 - 0,88.

6. Наружный диаметр катушки, мм:

d_кат = d_мг + 2 (S_з + S_кат ) = 132 + 2 (15 + 50) = 262 мм

где, S_з - толщина зазора между стержнем магнитопровода и катушкой, S_з = 10-20 мм; S_кат - толщина катушки, S_кат = 20-50 мм.

7. Внутренний диаметр канала, мм:

d_к.в = d_кат + 2 (S₁ + S₂ ) = 262 + 2(95 + 30) = 512 мм.

где, S₁ - толщина футеровки между каналом и катушкой, S₁ = 65-150 мм; S₂ - толщина зазора между катушкой и футеровкой, S₂ = 10-30 мм.

8. Ширина канала в мм.

Для данного сплава (цинкового) принимаем ширину канала 130 мм, т.е. b_k = 130 мм.

9. Длина канала в мм. Вначале делаем эскиз канала. Длину канала определяем по его средней линии. Длина криволинейной части канала 1178 мм, длина прямолинейного участка 225 мм.

l_k = 1178 + 2*225 = 1628 мм.

10.  Площадь поперечного сечения канала. Принимаем j₂ = 9*10⁶ А / м², тогда

F_k = 10³* Р_инд / (j₂²*с_м* l_k) = 10³* 950 / (81*10¹²*112*10^-8* 1,628) = 0,0064м².

где, j₂ - плотность тока в канале, А / м²; с_м - удельное электросопротивление металла, Ом*м. Принимаем с_м=112 Ом*м.

11. Форма поперечного сечения канала. В поперечном сечении канал может иметь форму окружности, эллипса, овала или другой фигуры, не имеющей углов. Размеры поперечного сечения канала определяем с учётом уже найденных площади поперечного сечения и ширины канала. Принимаем канал в форме овала. Тогда b_k = 130 мм, h_k = 240 мм, F_k = 0,0064 м².

12. Активное сопротивление канала, Ом:

R = с_м* l_k / F_k = 112*10^-8* 1,628 / 0,0064= 2,85*10^-4 Ом.

13. Индуктивность канала

L = L_внеш + L_вн = 5,41*10^-7 + 0,814 *10^-7 = 6,224 *10^-7 Гн.

где, L_внеш и L_вн - внешняя и внутренняя индуктивность канала, Гн;

L_внеш = 2*10^-7* l_р* l_k ln(R₁ / R₂) = 2*10^-7* 1,55* 1,628 ln(0,19 / 0,065) = 5,41*10^-7 Гн.

L_вн = 10^-7 * l_k /2 = 10^-7 * 1,628/2 = 0,814 *10^-7 Гн.

где, R₁ - расстояние от оси канала до катушки плюс глубина проникновения тока в катушку; R₂ - расстояние от оси канала до поверхности канала, т.е. R₂=b_k/2; l_р - коэффициент, учитывающий рассеяние энергии индуктором в зависимости от индукции в стержне. При В = 1,85 Тл l_р = 1,55

14. Индуктивное сопротивление канала, Ом:

X_L = 2*р*f *L = 2*3,14*50*6,224*10^-7 = 1,95 *10^-4 Ом.

15. Полное сопротивление канала, Ом:

Z =(((1,95 *10^-4)²)+((2,85*10^-4)²))^0,5 = 3,45*10^-4 Ом.

16. Коэффициент индуктивной мощности канала:

сosц = R / Z = 2.85*10^-4 / 3,45 *10^-4 = 0,8

17. Активное напряжение в канале, В:

U_к.а. = (2,85*950000/10000)^0,5=16,45 В

18. Полное напряжение в канале, В:

U_к = U_к.а / сosц = 16,45 / 0,8= 20,55 В.

19. Полная мощность индуктора:

S_инд = Р_инд / сosц = 950 / 0,8= 1187,5 кВ*А.

20. Реактивная (индуктивная) мощность, выделяющаяся в индукторе:

Q_инд =(1187,5²-950²)^0,5=712,5 квар.

21. Полная мощность печи:

S = N* S_инд = 2*1187,5 = 2375 кВ*А.

22. Реактивная мощность печи:

Q = Q_инд*N = 712,5*2 = 1425 квар.

23. Число витков катушки индуктора. Выбираем трансформатор со следущей характеристикой. Первичное напряжение 10000 В, вторичное напряжение (11 ступеней): 245, 341, 416, 490, 555, 596, 640, 682, 725, 768, 810 В. Принимаем, что мощность индуктора 950 кВт будет при подаче на катушку напряжения 810 В, тогда

n = U₁ / U_к = 950 / 20,55 = 45,8 витка.

Принимаем 46 витков. Для уменьшения длины катушки принимаем навивку в два слоя по 23 витка в каждом слое.

24. Сила тока в катушке:

I₁ = S_инд / U₁ = 10³*1187,5 / 810 = 1466 A.

25. Площадь поперечного сечения витка катушки, мм². Принимаем j₁ =3 А/мм² тогда

F_вит = I₁ / j₁ = 1466 / 3 = 488,7 мм².

Ширина b_вит и высота витка h_вит катушки. Для изготовления катушки выбираем медный провод прямоугольного сечения 3х8 мм. Число проводов в витке равно 488,7: (3х8) =21мм. С учётом изоляции принимаем b_вит = 28 мм, h_вит = 20 мм.

26. Длина катушки, мм:

l_кат = b_вит *n / k_сл = 28*46 / 2 =644 мм.

27. Ёмкость конденсаторной батареи индуктора (для компенсации сosц):

С = 10⁹* Q_инд / (2*р*f * U₁²) = 10⁹* 712,5 / (2*3,14*50 * 810²) = 3458 мкФ.

4. Подбор плавильного агрегата и его обоснование

Индукционные канальные печи в основном используются для плавки цветных металлов (медь и сплавы на медной основе - латуни, бронзы, нейзильберы, мельхиоры, цинк, алюминий и их сплавы) и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование индукционных канальных печей для плавки стали ограничивается из-за недостаточной стойкости футеровки.

Наличие в индукционных канальных печах электродинамического и теплового движения расплавленного металла или сплава обеспечивает однородность химического состава и равномерность температуры расплавленного металла или сплава в ванне печи.

Индукционные канальные печи рекомендуется использовать в тех случаях, когда к выплавляемому металлу и полученным из него отливкам предъявляются высокие требования, в частности, по минимальным газонасыщенности и неметаллическим включениям.

Индукционные канальные миксеры предназначены для перегрева жидкого металла, выравнивания состава, создания постоянных температурных условий литья и в ряде случаев для дозирования и регулирования скорости литья в кристаллизаторы литейных машин или в литейные формы.

Шихта для индукционных канальных печей должна приготовляться в соответствии с заданным составом выплавляемой марки металла или сплава, должна быть сухой и состоять в основном из первичного чистого металла.

Применение канальных печей не рекомендуется при использовании загрязненной вторичной шихты, использовании стружки, особенно при выплавке алюминиевых сплавов, а также при выплавке всевозможных лигатур и сплавов на медной основе, содержащих свинец и олово, так как при этом резко снижается срок службы футеровки, и эксплуатация канальных печей становится затруднительной.

К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести:

1. Минимальный угар (окисление) и испарение металла, так как нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру.

2. Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода.

В то же время высок и тепловой КПД печи, так как основная масса расплава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.

3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.

5. Подбор шихты для проведения процесса плавки

Необходимо получить сплав ЦА10М5 (10%Al, 5%Cu). В качестве шихтовых материалов используем:

-Чушка марки ЦА10М5

-Возврат собственного производства -30%

-Алюминий чушковый марки А0

-Латунь в чушках Л62 (62% Cu, 38% Zn)

-добавка: аммоний хлористый NH₄Cl - 1% (сверх 100%)

Угар элементов при приготовлении сплава:

-Zn - 0,5%

-Al - 1,5%

-Cu - 0,5%

Расчет ведем на 100 кг сплава.

Угар по компонентам в кг составит:

Zn		= 0.425 кг
Al		= 0.15 кг
Cu		= 0, 025 кг

В таблице 1 представлен расчетный состав сплава с учетом угара:

Таблица 1 - Расчетный состав сплава с учетом угара

Компоненты	Без угара, кг	Угар, кг.	С уч. угара, кг.
Zn	85	0.425	85.425
Al	10	0.15	10.15
Cu	5	0,025	5.025
Итого, кг	100,6

Для расчёта шихты составим систему уравнений. Пусть для получения 100 кг (с учётом угара 100,6 кг) расплава необходимо:

-A кг чушки ЦА10М5,

-B кг возврата ЦА10М5

-С кг чушкового алюминия А0,

-D кг латуни в чушках

Тогда зная состав каждого из компонентов шихты и состав сплава, составим систему:

0,85A+0.85B+0.38D=85.425кг

0.1A+0.1B+C=10.15кг

0.05A+0.05B+0.62D=5.025кг

B=100.6*0.3кг

Решив систему, получаем: A=69.3 кг; B=30.18 кг; C=0.2 кг; D=2.27 кг.

Таблица 2 - Состав шихты

Компоненты	кг	%
1. Чушка марки ЦА10М5	69.3	67.3
2. Возврат собственного производства	30.18	29.3
3. Алюминий чушковый марки А0	0.2	0.19
4. Латунь в чушках Л62	2.27	2.2
5. Аммоний хлористый	1	1
ИТОГО:	102.95	100

6. Описание работы проектируемого агрегата

Печь представляет собой сборно - сварную конструкцию, где на сварной раме, закреплена сварная ванна; полость ванны футерована огнеупорными и теплоизоляционными материалами, футеровка защищена сверху металлической отъемной плитой с окном над зеркалом металла, зеркало металла прикрывается съемной крышкой.

Шкаф управления, содержит:

рубильник;

тиристорный ключ;

прибор контроля и регулирования температуры, прибор Термодат -14/1R/1D (иск 250 или КСП);

прибор контроля силы тока индуктора и сети;

переключатель режимов работы печи "Дежурный - рабочий" (при комплектации прибором Термодат -14/1R/1D);

переключатель режимов в управлении печью "Автоматический - ручной";

кнопки включения индуктора на напряжение питания "220V" и "380V" для однофазных печей;

ключ подачи напряжения на схему управления.

Принцип работы печи состоит в следующем: индуктор наводит в короткозамкнутом плавильном канале ЭДС, под действием которой в канале протекает ток. Энергия тока расходуется на плавление и разогрев металла канала, возникающие при этом электродинамические силы вызывают непрерывный обмен металла канала и ванны, что обеспечивает плавление загружаемой шихты, перемешивание, выравнивание химического состава и дегазацию расплава. Цикл работы печи содержит фазу ее активной работы и фазу "Ожидание". В фазе активной работы (рабочий режим) печь плавит металл и поддерживает заданную температуру расплава. В фазе "ожидание" (дежурный режим) печь поддерживает минимально возможную температуру расплава. Задача дежурного режима - не дать металлу закристаллизоваться при временной остановке процесса плавления. Энергопотребление в этом режиме наименьшее. В дежурный режим печь переводят на время длительных остановок (более 8 часов) обслуживаемого ею оборудования.

Электрическая схема печи предусматривает ее управление автоматически и вручную. Вариант автоматического управления является основным и позволяет без вмешательства оператора выдерживать заданные технологические параметры процесса, как в рабочем режиме, так и в дежурном, причем, с возможностью использования напряжения питания 220 и 380V.

Вариант ручного управления является вспомогательным и предусматривает обязательное присутствие оператора у печи. При этом оператор сам обеспечивает необходимый температурный режим печи и требуемое количество метла, не допуская как застывание металла, так и его перегрева. Вариант ручного управления также предусматривает два значения питающего напряжения. Контроль тока индуктора и сети осуществляется по амперметрам РА1 и РА2.

Ведется дальнейшее усовершенствование управления печами, введено плавное регулирование мощности однофазных печей, ступенчатое регулирование мощности 3-х фазных печей на основе электроники.

Шихта канальных печей составляется из чистых исходных материалов, отходов производства и лигатур (промежуточных сплавов). В печь загружаются вначале тугоплавкие компоненты шихты, затем - составляющие основную массу сплава и последними - легкоплавкие. В процессе расплавления шихту следует периодически осаживать во избежание сваривания кусков и образования моста над расплавленным металлом. Шихту загружают небольшими партиями. Напряжение на индукторе в начале плавки должно быть снижено; по мере накопления жидкого металла напряжение повышают, следя за тем, чтобы ванна оставалась спокойной и окисная пленка на ее поверхности не взламывалась.

При временных остановках канальная печь переводится в режим холостого хода, когда в ней оставляют лишь такое количество металла, которое обеспечивает заполнение каналов и сохранение в каждом из них замкнутое кольцо металла. Этот остаток металла поддерживается в жидком состоянии. Мощность в таком режиме составляет 10-15% номинальной мощности печи. При длительной остановке печи весь металл из нее должен быть слит, так как при застывании и последующем охлаждении происходит разрыв его в каналах вследствие сжатия, после чего пуск печи становится невозможным. Для пуска опорожненной печи в нее заливают расплавленный металл, причем ванна и подовый камень должны быть предварительно разогреты до температуры, близкой к температуре расплава, во избежание растрескивания футеровки и застывания металла в каналах. Разогрев футеровки является длительным процессом, поскольку скорость его не должна превышать несколько градусов в час.

Переход к новому составу сплава возможен лишь при условии, что футеровка по своим температурным характеристикам и химическим свойствам пригодна для нового сплава. Прежний сплав полностью сливается из печи и в нее заливается новый. Если прежний сплав не содержал компонентов, не допустимых для нового сплава, то годный металл может быть получен при первой же плавке. Если же такие компоненты содержались, то приходится провести несколько переходных плавок, после каждой из которых содержание нежелательных компонентов, оставшихся в каналах и на стенках ванны при сливе металла, снижается.

Для нормальной эксплуатации канальной печи со съемными индукционными единицами необходимо иметь в резерве полный комплект разогретых единиц, готовых к немедленной замене. Замена производится на горячей печи с временным отключением охлаждения заменяемой единицы. Поэтому все операции по замене должны выполняться быстро, чтобы длительность перерыва в подаче охлаждающей воды и воздуха не превысила 10-15 минут, в противном случае электрическая изоляция будет разрушена.

Состояние футеровки ванны в процессе эксплуатации контролируется вивизуально. Контроль недоступных для осмотра каналов осуществляется косвенным методом, путем регистрации активного и реактивного сопротивлений каждого индуктора, которые определяются по показаниям киловаттметра и фазометра. Активное сопротивление в первом приближении обратно пропорциольно площади сечения канала, а реактивное - пропорционально расстоянию от канала до индуктора. Поэтому при равномерном расширении (размыве) канала активное и реактивное сопротивления снижаются, а при равномерном зарастании канала - увеличиваются; при сдвиге канала в сторону индуктора реактивное сопротивление уменьшается, а при сдвиге в сторону кожуха - увеличивается.

По данным измерений строятся диаграммы и графики изменения сопротивлений, позволяющие судить об износе футеровки каналов. О состоянии футеровки канальной печи судят также по температуре кожуха, которую регулярно измеряют во многих контрольных точках. Местное повышение температуры кожуха или повышение температуры воды в какой-либо ветви системы охлаждения свидетельствует о начавшемся разрушении футеровки. Футеровка индукционных канальных электропечей выполняет одновременно функции электрической и тепловой изоляции. Однако при отсыревании (холодная печь) или насыщении электропроводящими материалами (из расплава или газовой среды) электрическое сопротивление футеровки резко падает. Это создает опасность поражения током.

Вследствие неисправности может возникнуть электрический контакт между токоведущими частями и другими металлическими частями электропечи; в результате такие сборочные единицы, как каркас, с которыми в процессе эксплуатации соприкасается персонал, могут оказаться под напряжением.

При эксплуатации электропечей, устройств и входящего в состав установок электротехнического оборудования (щитов управления, трансформаторов и т. п.) для защиты от поражения током применяют обычные средства: заземление металлических частей (каркасов печей, площадок и пр.), защитные изоляционные средства (рукавицы, ручки, подставки; помосты и другие), блокировки, предотвращающие открывание дверец до отключения установки, и др. Источником взрывоопасности являются водоохлаждаемые узлы (кристаллизаторы, индукторы, кожухи и другие элементы электропечей). При неисправностях герметичность их нарушается и вода попадает в рабочее пространство печи; под действием высокой температуры вода интенсивно испаряется и в герметично закрытой печи в результате повышения давления может произойти взрыв; в некоторых случаях вода разлагается и при попадании воздуха в печь может образоваться гремучая смесь. Такие аварии имеют место при проедании футеровки в индукционных плавильных печах.

К взрыву может привести скопление в печи легко возгорающих веществ (натрий, магний и др.), образовавшихся в ходе технологического процесса, а также влажная шихта. Источником взрыва могут быть дефекты элементов электропечей.

В процессе эксплуатации печи необходимо постоянно вести наблюдение за бесперебойной подачей охлаждающей воды и воздуха и их температурами на выходе из систем охлаждения. При снижении давления воды или воздуха срабатывают соответствующие реле, отключается энергопитание неисправной индукционной единицы и подаются световые и звуковые сигналы. В случае снижения давления в водоподводной магистрали печь переводят на резервное охлаждение от пожарного водопровода или аварийного бака, обеспечивающего самотечное питание водой систем охлаждения печи в течение 0,5-1 часа. Прекращение бесперебойной подачи охлаждающей воды и воздуха приводит к аварийной ситуации: обмотка индуктора расплавляется.

Прекращение подачи воды в водоохлаждаемые рубашки кристаллизаторов приводит к тому, что металл, переливаемый из раздаточной коробки в кристаллизатор, застывает в кристаллизаторе, что приводит к выходу из строй кристаллизатора и нарушению технологического процесса. При прекращении питания электроэнергией металл в печи может застыть, что является серьезной аварией. Поэтому в системах электроснабжения канальных печей желательно предусматривать резервирование. Мощность резервного питания должна быть достаточной для поддержания металла в печи в расплавленном состоянии. Нарушение футеровки печи (незафиксированное визуально или по приборам) приводит к тому, что металл из ванны или канальной части печи попадает на печной трансформатор, что может привести к выходу из строя печного трансформатора и к взрывоопасной ситуации.

Взрывобезопасность обеспечивают путем надежного контроля за ходом процесса, сигнализацией о нарушениях режима, незамедлительным устранением неисправностей, инструктажем персонала.

7. Техника безопасности при эксплуатации проектируемого агрегата

В литейных цехах, где имеется в большом количестве жидкий металл, особенно остро стоит вопрос о безопасной эксплуатации печей для плавки и выдержки жидкого металла, а также его транспортирования в ковшах и разливки.

При попадании жидкого металла на воду или другую жидкость, или на влажную поверхность происходит мгновенное испарение жидкости и выброс жидкого металла. Поэтому приямки плавильных печей и печей выдержки должны быть сухими, чтобы при попадании в них жидкого металла не было его выбросов.

Транспортировочные ковши для жидкого металла должны быть предварительно высушены и прокалены. Формы для заливки жидкого металла также предварительно просушивают.

В конструкциях плавильных печей и миксерах имеются элементы, охлаждаемые водой. Это индукторы, сводовые кольца дуговых электропечей, заслонки и т. д. Для охлаждения этих элементов используют специально подготовленную воду. При этом практически не происходит выпадения накипи.

Для нормальной работы водоохлаждаемых элементов необходимо постоянное поступление и слив воды с температурой, не превышающей 50--60 °С. Контроль за поступлением и температурой слива воды осуществляют с помощью автоматики или вручную. Печи и сушила обогревают электроэнергией или газом.

Необходимо исключить возможность случайного прикосновения обслуживающего персонала к нагревательным элементам, находящимся под напряжением более 36В.

Электросопротивление между электронагревателями и корпусом холодной электропечи с просушенной футеровкой должно быть не менее 0,5МОм.

Для индукционных печей электросопротивление изоляции между индуктором и корпусом должно быть не менее 1кОм на 1В номинального напряжения индуктора. Сопротивление изоляции между частями кожуха печи, стяжками и т.п. должно быть не менее 0,5Мом.

Противопожарные мероприятия сводятся к профилактическим мерам: поддержанию в исправном состоянии газопроводов и газового оборудования, системы маслопроводов, закалочных баков, гидроприводов, систем электронагрева; предотвращению выплесков и утечек жидкого металла и шлака и т.д.

В цехах предприятия должны быть установлены противопожарные посты, где должен находится противопожарный инвентарь (ломы, топоры, лопаты, багры, ведра) и средства тушения пожара (огнетушители, ящики с сухим песком).

8. Экологические мероприятия

Литейное производство является одним из наиболее вредных производств для экологической среды. При производстве 1 т отливок в атмосферу выбрасывается от 10 до 75 кг пыли, более 150 окиси углерода, до 1 кг окислов серы и ряд других вредных веществ. Значительная часть этих выбросов приходится на долю плавильных агрегатов. Так, при получении 1 т жидкого металла при индукционной плавке в отходящих газах содержится 0.1 г / м² пыли, а при плавке шихты со стружкой это количество увеличивается в несколько раз.

Для осаживания наиболее крупных частиц пыли (более 40мкм) обычно применяют сухие или мокрые инерционные пылеосадители и скрубберы различных конструкций. Наибольшее распространение нашли циклоны и мультициклоны, которые при температуре 673К футеруются.

В тех цехах, где имеется система гидрошлакоудаления, для предварительной очистки газов применяются мокрые пылеосадители. Тонкая очистка газов представляет большие трудности из-за наличия мелких фракций и пленок органических веществ на поверхности частиц. Наиболее широко для тонкой очистки печи используют турбулентные скоростные мокрые пылеуловители, тканевые рукавные пылеосадители, дезинтеграторы, а также сухие и мокрые электрофильтры. Также большое распространение получили мокрые пылеуловители с эжекторными трубами Вентури, имеющие К.П.Д. 96 ... 97 % и обеспечивающее остаточное содержание пыли 0.1 ... 0.15 мг / м².

Газы проходят через трубу Вентури с небольшой скоростью (10 ... 15 м/с), а вода подается в газовый поток с большой скоростью. Разные скорости воды и газов, порозность водяного факела и определенный угол его раскрытия обеспечивают коагуляцию пыли на каплях воды и эжекцию газового потока. Установка с трубами Вентури обладает высокой надежностью в работе, проста в эксплуатации и не имеет в линии трубопроводов, участков, находящихся под разрежением, что исключает возможность образования в них взрывоопасной газовой смеси.

Создание здоровых условий труда в плавильном отделении обеспечивается комплексом санитарно-технических, профилактических и организационных мероприятий, таких как: изолирование плавильного отделения от других участков литейного цеха.

Снижение запыленности, газо- и парообразования до установленных санитарных норм, осуществляется путем применения принудительной приточно-вытяжной вентиляции, которая сочетается с естественной аэрацией, осуществляемой через ряд фонарей на крыше и оконные проемы.

Механический приток свежего воздуха на рабочие места обеспечивается сверху вниз под углом 20-30 к горизонту со скоростью 10 м/с. Для снижения до допустимых норм конвективной и лучистой избыточной теплоты, а также концентрации вредных газов (оксида углерода, сернистого ангидрида, оксида азота и других) рабочие места и плавильные агрегаты оборудуются индивидуальными вытяжными зонтами и установками воздушного душирования.

Участок сушки и подогрева разливочных ковшей снабжен системой общеобменной вентиляции, а также зонтами с механической вытяжкой теплого воздуха и газов. Все работники обеспечены средствами индивидуальной защиты дыхательных путей.

Введены системы газоулавливания, пылеочистки и нейтрализации токсичных газов. Введена система водоочистки и повторного использования технической воды, а также система гранулирования шлака.

Заключение

На основании проведенного расчета печи и рекомендаций, изложенных в литературе, для плавки цинка принимаем индукционную канальную печь ИЦК производительностью 6 т/ч.

Техническая характеристика печи, полученная в результате расчета:

Ёмкость………………………………………………………………...8 т

Мощность ……………………………………………...………1300 кВт

Частота тока ………………………………………………………50 Гц

Число индукторов………………………………………………….....2

Диаметр стержня магнитопровода…..……...........................132 мм

Наружный диаметр катушки……………………………………..262 мм

Внутренний диаметр канала……………………………………..512 мм

Ширина канала…………………………………………………..130 мм

Длина канала………………………………………………………..1628 мм

Полное напряжение в канале…………………………………… 20,55 В

Полная мощность индуктора……………………………….1187,5 кВ*А

Полная мощность печи………………………………..……….2375 кВ*А

Число витков катушки индуктора……………………………………46

Длина катушки……………………………………………...…........644 мм

Ёмкость конденсаторной батареи индуктора…………………..3458 мкФ

Список использованной литературы

1. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Печи литейных цехов » для студентов специальности Т.02.02 - «Технология, оборудование и автоматизация обработки материалов». Невар Н.Ф. - Минск: БГПА,1999г.

2. Печи и сушила литейного производства. Долотов Г.П. , Кондаков Е.А. - 3-е издание переработанное и дополненное. Москва: Машиностроение, 1990 г.

3. Печи в литейном производстве. Атлас конструкций. Учебное пособие для студентов ВУЗов, обучающихся по специальностям «Литейное производство черных и цветных металлов» и «Машины и технологии литейного производства». Благонравов Б.П. и другие. Москва: Машиностроение, 1989 г.

4. Литейное производство цветных и редких металлов. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Москва: «Металургия», 1982 г.

5. Цветное литьё. Справочник. Галдин Н.М. и другие. Москва: Машиностроение, 1989 г.

6. Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию печей литейных цехов (курс ”металлургическая теплотехника и печи”) / В.А.Бахмат, И.В.Дорожко, В.И.Тутов - Минск: БПИ, 1980г.-74стр.