Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2, 5 т/ч

Министерство образования и науки Республики Узбекистана ТашГТУ Механика машиностроительный факультет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

Тема: Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч

Руководитель Доц. Е. Х. Тулаганов Студент Магистрант Ташбулатов. Ш. Б.

1. Описание конструкции и работы печи

1.1 Конструкция печи

1.2 Футеровка печи

1.3 Характеристика индукционной печи

2. Расчет печи

2.1 Определение размеров рабочего пространства печи

2.2 Тепловой расчет печи

2.3 Электрический расчет печи

2.4 Расчет охлаждения индуктора

2.5 Расчет конденсаторной батареи

3. Охрана труда

4. Заключение

5. Список использованных источников

Введение

Для плавки чугуна на твердой завалке широко применяют тигельные индукционные печи. Такие печи удобны в эксплуатации, в них легко получать различные чугуны, область их применения за последнее время значительно расширилась.

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

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

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

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

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

.

Конструкция индукционной печи, а — конструктивное оформление; 1 — индуктор, 2 — крепление витков индуктора, 3 — каркас, 4 — изоляция, 5 — подовая плита, 6 — тигель, 7 — цапфы, 8 — крышка б — футеровка тигля; 1 — подовая плита, 2 — тигель, 3 — воротник, 4 — сливной желоб, 5 — огнеупорная обмазка Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Схематическое изображение индукционной канальной печи (а) и трансформатора (б) Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток от предыдущей плавки, называемый зумпфом или «болотом») необходима потому, что при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50% от общей массы металла в печи (емкости печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий. Так, при плавке в печи с массой садки 12 т и зумпфе массой 5 т соблюдается такая последовательность и длительность периодов: загрузка 5 — 6 т шихты (кроме возврата) 15 минут; расплавление 1 час 5 минут; доводка химического состава 40 минут; загрузка возврата (2 т) 10 минут; расплавление возврата 15 минут; доводка по температуре, скачивание шлака 25 минут. В результате получается, что часовая производительность печи составляет около 1/3 от ее массы садки.

1. Описание конструкции и работы печи

1.1 Конструкция печи Индукционный нагрев — нагрев тел в электромагнитном поле за счёт теплового действия вихревых электрических токов, протекающего по нагреваемому телу и возбуждаемого в нём благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом изделии называют индуцированным или наведённым током. Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева тел или плавки тех или иных материалов. Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др. Индукционная тигельная печь (ИТП), которую иначе называют индукционной печью без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, и, поглощая электромагнитную энергию, плавится.

Достоинства тигельных плавильных печей:

Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;

Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении;

Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;

Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создаёт условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую;

Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;

Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздуха.

К недостаткам тигельных печей относятся относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже, а также сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких температурах расплава и наличие теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла). Однако преимущества ИТП перед другими плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности.

В зависимости от того, идёт ли процесс плавки на воздухе или в защитной атмосфере, различают печи:

открытые (плавка на воздухе),

вакуумные (плавка в вакууме),

компрессорные (плавка под избыточным давлением).

По организации процесса во времени:

периодического действия полунепрерывного действия непрерывного действия По конструкции плавильного тигля:

с керамическим (футерованным) тиглем, с проводящим металлическим тиглем, с проводящим графитовым тиглем, с холодным (водоохлаждаемым) металлическим тиглем.

Конструкция индукционной тигельной печи Конструкция тигельной печи состоит из плавильного тигля со сливным носком, так называемым «воротником», подины, крышки и слоя тепловой изоляции. Плавильный тигель является одним из самых ответственных узлов печи, в значительной степени определяющим её эксплуатационную надежность. Поэтому к тиглю и к используемым футеровочным материалам предъявляются следующие требования: материал тигля должен быть «прозрачен» для электромагнитного поля, нагревающего металл. В противном случае нагреваться будет не расплавляемый металл, а тигель;огнеупорные материалы должны обладать высокой теплостойкостью и огнеупорностью, а также химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;материал тигля должен сохранять изоляционные свойства (то есть иметь минимальную электропроводность) во всем диапазоне температур (1600—1700 °C) для черных металлов);тигель должен иметь минимальную толщину стенки для получения высокого значения электрического коэффициента полезного действия;

тигель должен быть механически прочным в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического воздействия, значительных механических усилий, возникающих при наклонах печи, ударных нагрузках, возникающих при загрузке и осаждении шихты и чистке тигля;материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в тигле в условиях высокого значения градиента температур в стенке (до 30 тыс. °C/м) и для снижения термических напряжений в тигле;

технология конструкции и изготовления футеровки и тепловой изоляции печи должны обеспечивать условия для осуществления в течение всей кампании печи неспекшегося (буферного) наружного слоя, прилегающего к индуктору, и исключающего образование сквозных трещин и проникновение расплава к виткам индуктора.

В настоящее время в практике изготовления ИТП используют следующие методы:

Набивку по шаблону непосредственно в печи, когда сваренный из листовой стали шаблон по форме внутренней поверхности тигля устанавливают на подине точно на оси печи, порошкообразные огнеупорные массы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном, и послойно трамбуют пневматической или электрической трамбовкой.

Изготовление футеровки внепечным методом: тигли прессуют, трамбуют или формуют в специальных разборных пресс-формах, затем тигли устанавливают в индуктор печи и засыпают боковое пространство порошкообразным огнеупорным материалом, что предупреждает прорыв жидкого металла к индуктору через сквозные трещины, которые могут образоваться в предварительно обожженных тиглях. Смену футеровки при таком методе можно осуществить быстрее, что сокращает время простоя печи.

Выполнение футеровки из фасонных огнеупорных изделий. Толщина изделий (кольца, блоки, секционные шпунтовые изделия, стандартные кирпичи клиновидной формы) должна быть такой, чтобы при кладке не образовалось пространство (кольцевой зазор) размером 25—30 мм между наружной стенкой кладки и витками индуктора для создания буферного слоя из порошкообразных материалов.

Прослойную наварку футеровки путем торкретирования или плазменным напылением контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку. Метод напыления позволяет выполнить химически чистую и высокоогнеупорную контактную поверхность футеровки, в соответствии с требованиями к выплавляемым сплавам.

Для ИТП применяют кислую, основную и нейтральную футеровку, состав которых очень разнообразен. Это позволяет для данного технологического процесса плавки подобрать соответствующие футеровочные материалы, рецептуру огнеупорных масс и технологию изготовления в соответствии с ранее перечисленными требованиями. Кислую футеровку изготовляют из кремнезёмистых огнеупорных материалов (кварцевого песка, кварцита, молотого динасового кирпича) с содержанием окиси кремния не менее 93—98%. В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфитно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1—1,5% раствор борной кислоты. Зерновой состав огнеупорной массы: 5% зёрен 3—2 мм, 50% зёрен 2—0,5 мм, 45% зёрен < 0,5 мм. Кислая футеровка выдерживает 80−100 плавок. Основную футеровку изготовляют из магнезитовых огнеупоров в предварительно спечённом или сплавленном состоянии, то есть обладающих наибольшим постоянством объёма. Для уменьшения усадки при высоких температурах (1500—1600 °C) и обеспечения некоторого роста при средних (1150—1400 °C), что предотвращает образование усадочных трещин, применяют такие минерализаторы, как храновая руда, кварцевых песок или кварциты. В качестве связующих используют глину (до 3% от массы магнезита) с увлажнением её водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12%). Лучшей огнеупорной массой по зерновому составу считают: 50% зёрен 6—0,5 мм, 15% зёрен 0,5—0,18 мм, 35% зёрен < 0,18 мм. Данные о продолжительности службы основной футеровки крайне противоречивые и колеблются для тиглей разной ёмкости. Следует отметить, что стойкость основной футеровки ниже стойкости кислой, причём существует ещё и недостаток: образование трещин. Нейтральная футеровка характеризуется большим содержанием амфотерных окислов (Al2O3, ZnO2, Cr2O3). Она во многих случаях обладает более высокими огнеупорными характеристиками, чем кислая или основная, и даёт возможность выплавлять в ИТП жаропрочные сплавы и тугоплавкие металлы. В настоящее время нейтральную футеровку изготовляют из магнезитохромитовых[1] огнеупоров, электрокорунда, двуокиси циркония и циркона (ортосиликат циркония ZrSiO4). Возможно также изготовление тиглей нейтрального состава из некоторых тугоплавких соединений (нитридов, карбидов, силицидов, боридов, сульфидов), которые могут быть перспективными для плавки небольших количеств химически чистых тугоплавких металлов в вакууме и в восстановительных или нейтральных средах. Плавку в тиглях большой ёмкости, которая бы оправдала применение таких дорогостоящих футеровочных материалов, пока не применяют.

Крышка печи, служащая для уменьшения тепловых потерь излучением, выполняется из конструкционной стали[2] и футеруется изнутри. Открывание крышки осуществляется вручную или с помощью системы рычагов (на малых печах), либо с помощью специального привода (гидроили электромеханического).

Подина печи, служащая основанием, на которое устанавливают тигель, обычно выполняется из шамотных кирпичей или блоков (для больших печей) или из асбоцементных[3] плит, уложенных одна на другую (для малых печей небольшой ёмкости).

Индуктор печи Индуктор является основным элементом печи, предназначенным для создания электромагнитного поля, индуцирующего ток в загрузке. Кроме своего основного назначения, он также должен выполнять функцию важного конструктивного элемента, воспринимающего механическую и тепловую нагрузку со стороны плавильного тигля и во многом определяющего надёжность работы печи в целом. На индуктор действуют значительные радиальные электродинамические усилия:

витки подвержены вибрациям, которые могут привести к разрушению изоляции индуктора;

распределяющая в процессе нагрева футеровка тигля создаёт значительные осевые усилия, стремящиеся сместить витки индуктора в осевом направлении;

механические изгибающие усилия, возникающие при наклоне печи могут также привести к деформации витков индуктора.

Кроме того, охлаждение индуктора должно обеспечивать отвод тепла, вызываемого электрическими потерями, а электрическая изоляция витков индуктора должна исключать возможность электрического пробоя, приводящего к прожогу трубки индуктора и к возникновению аварийной ситуации. Таким образом, индуктор ИТП должен обеспечивать:

В общем случае — для индукционной печи любого типа:

минимальные электрические потери, требуемый расход охлаждающей воды, необходимую механическую прочность и достаточную жёсткость, надёжнуюэлектроизоляцию витков.

В случае обработки тугоплавких металлов Концентрацию электромагнитного поля в малом объёме Эти требования удовлетворяются в ИТП следующим образом. Обычно индуктор представляет собой цилиндрическую однослойную катушку (соленоид), витки которой уложены в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона, определяемым шагом набивки, или катушку, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляются короткими наклонными участками, — такой индуктор называют индуктором с транспозицией витков. Достоинство — простота набивки (на барабан, укладывая виток к витку), однако торцевые плоскости витков индуктора при этом не горизонтальны, что затрудняет осевую стяжку индуктора. Изготовление индуктора с транспозицией сложнее, т. к. требуются специальные приспособления для выполнения транспозиции, однако торцы индуктора при этом оказываются лежащими в горизонтальных плоскостях, что облегчает стяжку витков индуктора с помощью торцевых плит, натяжных колец и др. Ввиду больших токовых нагрузок индуктор ИТП практически всегда выполняют с водяным охлаждением. Для обеспечения минимальных электрических потерь в индукторе необходимо соблюдение следующих условий:

материал индуктора должен обладать малым удельным сопротивлением;

материал индуктора должен быть немагнитным;

толщина индуктирующего витка, обращенная к расплаву должна быть не менее 1,57?.

Эти условия могут быть удовлетворены, если индуктор выполнен из полой медной трубки круглого, прямоугольного равностенного, разностенного или специального сечений. При этом равностенные трубки используются, как правило, для печей повышенной частоты, а разностенные — промышленной частоты. Электроизоляция индуктора должна иметь высокую диэлектрическую прочность, быть пылеи влагонепроницаемой, противостоять вибрациям и повышенным температурам (?200—300 °C), быть ремонтоспособной. На практике применяется несколько способов выполнения межвитковой изоляции:

воздушная — промежуток между соседними витками достаточно большой (10—20 мм), чтобы исключить возможность возникновения пробоя. Воздушная изоляция выполняется при сравнительно невысоком напряжении на индукторе, в тех случаях, когда имеется возможность жестко закрепить каждый виток в отдельности (на печах малой емкости);

обмоточная — на предварительно подготовленную поверхность витков наносится слой изоляционного лака, затем витки обматываются лентой с высокой диэлектрической непроницаемостью (например, стекломикалентой). Лента обычно наматывается «в полуперекрышку». Такая изоляция широко применяется;

прокладочная изоляция — в зазоры между витками закладываются прокладки, выполненные, например, из стеклотекстолита. Индуктирующий провод предварительно покрывают изоляционным лаком, а прокладки приклеивают к виткам специальным клеем на эпоксидной основе. Этот вид изоляции используют в печах большой ёмкости;

напыленная изоляция — на индуктирующий провод, то есть на его предварительно подготовленную поверхность (дробеструйная очистка и обезжиривание) газопламенным или плазменным способом наносится тонкий слой окиси алюминия Al2O3 или двуокиси циркония ZrO2, обладающих высокими диэлектрическими свойствами и хорошо сцепляющихся с медным индуктором. Сверху на этот слой обычно наносится слой лака. Этот вид изоляции широко используется в настоящее время;монолитная изоляция с применением полиэфирного композитного состава находит ограниченное применение из-за сложности выполнения ремонта индуктора при местных повреждениях трубки или самой изоляции.

Для обеспечения жесткости и механической прочности индуктора применяются следующие способы крепления его витков: с помощью шпилек, выполняемых обычно из латуни, и припаянных или приваренных к наружной стороне индуктора; каждый его виток крепится к вертикальным изоляционным стойкам, выполненным из текстолита, асбоцемента или твердых пород дерева;с помощью верхнего и нижнего прижимных колец или фланцев все витки индуктора вместе стягиваются в осевом направлении продольными стяжками, а радиальная фиксация витков осуществляется вертикальными рейками, выполненными из изолирующего материала или пакетами магнитопроводов;необходимая жёсткость может быть также обеспечена заливкой его в компаунд.

Система водяного охлаждения индуктора предназначена для отвода активной мощности, теряемой в индукторе (Ри) и мощности тепловых потерь теплопроводностью от расплавленного металла через футеровку тигля (Рт. п.). Условия надёжности работы системы: механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/мі и величина карбонатной (временной) жёсткости должна быть 7 г-экв/мі;температура отходящей (нагретой) воды должна быть такой, чтобы предотвратить образование накипи, обычно её принимают равной 35—40 °C, что соответствует температуре стенки индуктора 40—50 °C;температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающего воздуха, так как иначе на индукторе будет конденсироваться влага из воздуха, что приведёт к пробою между витками;необходимый напор при входе в индуктор по условиям заводских водопроводных магистралей следует ограничить до 200 кПа. Если по расчёту этот напор превышает предел, то систему водоохлаждения приходится разбивать на секции и все секции охлаждения индуктора присоединять к охлаждающей магистрали параллельно;скорость течения охлаждающей воды должна быть определённой: не менее 0,5 м/с для создания турбулентного движения воды, предотвращающего осаждение на стенках трубки индуктора механических примесей и выпадающих из воды солей (вследствие уменьшения их растворимости при нагреве воды), и не более 1,5 м/с, чтобы не увеличить потери давления сверх допустимого значения.

Каркас индукционной тигельной печи Каркас (кожух) печи служит конструктивной основой для крепления всех основных элементов печи. При этом к нему предъявляются два основных требования: обеспечение максимальной жёсткости всей конструкции печи в целом и минимальное поглощение мощности элементами каркаса, так как они находятся в магнитном поле рассеяния индуктора. В настоящее время в тигельных печах применяют следующие основные схемы каркаса:

Каркас, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, рёбра которого выполнены из немагнитного материала (например, из дюралюминиевого уголка или немагнитной стали), а грани закрыты асбоцементным листом. С такими каркасами изготавливают печи малой ёмкости (менее 0,5 т) и лабораторные печи. С целью уменьшения нагрева металлических уголков каркаса, отдельные его металлические элементы изолируют друг от друга изоляционными прокладками для исключения в раме каркаса кольцевых токов. Индуктор в таком каркасе обычно прикрепляют к нижней и верхней асбоцементным плитам.

Металлический каркас обычно цилиндрической формы, выполненный в виде сплошной обмотки из толстого стального листа с вырезами («окнами») для доступа к индуктору или в виде «беличьей клетки», образованной вертикальными металлическими стойками, приваренными к верхней и нижней опорным стойкам. Между стойками имеется доступ к индуктору. Такие каркасы применяются в основном в печах средней и большой емкости.

Магнитопроводы и экраны индукционной тигельной печи На практике применяются три способа уменьшения потерь в каркасе печи от полей рассеяния:

удаление металлических элементов каркаса на достаточное расстояние от индуктора с устранением замкнутых контуров тока в каркасе;

применение пакетов магнитопроводов, устанавливаемых между индуктором и каркасом, выполненных из листовой электротехнической стали толщиной 0,2; 0,35 или 0,5 мм;

применение магнитных экранов в виде сравнительно тонких медных или алюминиевых листов, располагающихся непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Поскольку металлический корпус образует замкнутый контур вокруг индуктора, то применение экранов в этом случае оказывается неизбежным. Как правило, в промышленных печах используют магнитные экраны (магнитопроводы). Магнитопроводы, кроме своего основного назначения (проведение внешнего магнитного потока внутри каркаса), выполняют функцию конструктивного элемента, обеспечивающего жесткость индуктора и печи в целом. Это достигается благодаря тому, что фиксацию и радиальную стяжку индуктора осуществляют пакетами магнитопроводов, прижимаемых к индуктору специальными нажимными болтами, смонтированными в корпус печи. Усилие нажатия может регулироваться. Фиксация индуктора в осевом направлении может осуществляться с помощью кронштейнов, приваренных к боковым щекам магнитопроводов (к верхним скобам) и шпилек, притягивающих пакеты магнитопроводов к днищу печи. Благодаря такому конструктивному решению, все усилия, возникающие при работе печи, и воспринимаемые индуктором, передаются через магнитопроводы на корпус и днище, что позволяет разгрузить футеровку и повысить её стойкость и надежность печи в целом.

Контактное устройство индукционной тигельной печи Электрооборудование включает в себя:

печь, комплект измерительных приборов с трансформаторами, генератор повышенной или высокой частоты, коммутационную и защитную аппаратуру, конденсаторную батарею, ёмкость которой можно менять.

Электрооборудование и измерительные приборы в случае повышенной и высокой частоты должно иметь специальное исполнение, допускающее использование специальной аппаратуры в зоне повышенных частот.

Переключатель S позволяет изменять в процессе плавки коэффициент связи индуктора и садки. Такое изменение необходимо в связи с тем, что активное сопротивление шихты различно в различные моменты процесса. Контакторы К1, К2, К3 позволяют изменять в процессе плавки ёмкость компенсирующей конденсаторной батареи и поддерживать cos.=1 в цепи индуктора. Это приходится делать, потому что во время плавки также изменяется и индуктивное сопротивление садки, так как изменяется магнитная проницаемость, величины вихревых токов и т. д.

Механизм наклона индукционной тигельной печи Механизм наклона печи предназначен для слива металла и является одним из важных узлов конструкции любой тигельной плавильной печи. Для уменьшения длины струи металла и для того, чтобы не перемещать разливочный ковш в соответствии с перемещением носка печи (как, например, при эксплуатации дуговых сталеплавильных печей), ось наклона ИТП помещают вблизи носка. Для наклона печей малой ёмкости (60 и 160 кг) используют тельфер печного пролёта, предназначенный для загрузки шихты в тигель. Для наклона печи крюк тельфера сцепляют с серьгой, укреплённой на каркасе печи. При вращении барабана тельфера крюк поворачивает печь на требуемый угол (порядка 95—100°). Основной частью гидравлического механизма наклона печи являются рабочие цилиндры одностороннего действия, установленные по одному с каждой стороны печи. Плунжеры цилиндров, шарнирно связанные с корпусом печи, давлением рабочей жидкости (обычно масла) перемещаются вверх и наклоняют печь. Цилиндры устанавливают на шарнирах, позволяющих цилиндрам в процессе наклона печи поворачиваться в соответствии с дугой, описываемой головкой плунжера. Печь опускается под действием собственного веса, когда в цилиндрах снимают давление рабочей жидкости. Если печь должна наклоняться в обе стороны (когда она выполняет роль обогреваемого копильника-миксера), гидравлический механизм наклона снабжён двумя парами рабочих цилиндров, каждая из которых наклоняет печь в одну сторону, причём осью поворота печи служат цапфы плунжеров второй пары цилиндров. Гидравлический механизм наклона прост по конструкции, обеспечивает плавный поворот, но для его работы необходимо иметь гидравлическую напорную установку. Недостатком этого механизма наклона следует также считать необходимость довольно значительного пространства под печью для установки гидравлических (рабочих) цилиндров, что в некоторых случаях исключает его применение.

Механизм подъёма и поворота свода Обычно применяют простые рычажные или кулачковые механизмы подъёма, позволяющие легко приподнимать крышку на 1—2 см, после чего её отводят в сторону поворотом кронштейна, на котором она висит. Можно поднимать крышку небольшим гидравлическим цилиндром. Наиболее часто таким образом поднимают герметичные крышки вакуумных индукционных печей.

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

Наибольшее распространение получили электрические индукционные печи промышленной частоты. В зависимости от назначения индукционные печи подразделяются на индукционные тигельные — ИЧТ (индукционная чугунная тигельная), тигельные печи-миксеры — ИЧТМ (индукционная чугунная тигельная-миксер) и канальные миксерыИЧКМ (индукционная чугунная канальная-миксер). Стоимость индукционных печей и современных вагранок практически одинакова, но срок окупаемости индукционных печей приблизительно в два раза меньше за счет более низкой стоимости шихтовых материалов и самих отливок.

Тигельные индукционные печи. Индукционные тигельные печи и миксеры промышленной частоты работают по принципу трансформатора без железного сердечника, первичной обмоткой которого является многовитковая катушка — индуктор, вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой — расплавляемый металл. Тигельные индукционные печи, имеющие значительную удельную мощность, применяются для плавки, а миксеры применяются для сохранения температуры и доводки металла по химическому составу; при необходимости металл в миксере может быть перегрет на 100°.

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

Рисунок 1.1 — Индукционная тигельная печь для плавки чугуна На рисунке 2.1 представлена индукционная тигельная печь (ИЧТ) промышленной частоты емкостью 6 т. Она состоит из следующих основных узлов: металлического каркаса 1, тигля 3, индуктора 2, крышки с механизмами подъема 6, рабочей площадки 7, токои водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас 1печи представляет собой сварную конструкцию, выполненную из листовой стали. Жесткость каркаса обеспечивается ребрами жесткости, равномерно расположенными по диаметру обечайки. Каркас усилен средним поясом, несущим ось вращения печи, который выполнен в виде коробки из листовой стали. Под сливным носиком 5 расположена ось 4 поворота печи. Ось крепится в подшипниках, установленных на колоннах, Печь имеет гидравлический механизм наклона, состоящий из маслонапорной установки, аппаратуры гидропровода и двух плунжеров. Посредством гидравлического механизма осуществляется наклон печи в одну сторону на любой угол до 100° для выдачи металла.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Потребное количество песка каждой фракции засыпают в тщательно очищенный смеситель, где песок перемешивается в течении10−15 мин, затем добавляют борную кислоту в количестве 2−2,5%, и смесь перемешивается еще 10 мин. Приготовленная таким образом масса должна быть сразу использована. В случае приготовления массы впрок смешанные фракции песка упаковывают в мешки и хранят в сухом месте, а борную кислоту вводят перед употреблением массы.

Для футеровки подины (9на рисунке 1.1) и крышки печи применяется жаропрочный бетон приведенного ниже состава (в кг на м3 бетона).

При заливке подины следует установить контактную шпильку для работы сигнализатора проедания тигля металлом. После просушки бетона подина устанавливается в каркасе печи.

На подину устанавливают индуктор и сжимают его между верхним и нижним рядами прижимов и далее набивают тигель. Форма и внутренние размеры тигля определяются размерами шаблона, размерами индуктора и относительным расположением шаблона и индуктора. Перед набивкой тигля внутреннюю поверхность индуктора выкладывают слоем миканита толщиной 2 мм и асбестовым картоном, а также устанавливают сетку-электрод сигнализатора проедания тигля. На дно подины насыпают слой футеровочной массы толщиной 40−50 мм и уплотняют легкими ударами ручной трамбовки; разрыхлив слегка уплотненную поверхность, насыпают второй и последующие слои. Общая высота дна тигля должна быть выбрана с расчетом перекрытия третьего витка индуктора. В дне при помощи специального шаблона выбирается углубление под шаблон тигля. По окончании набивки пода удаляют с асбестовой прокладки прижимное кольцо и устанавливают шаблон, в который закладывают груз, фиксирующий шаблон, и приступают к набивке стенок тигля.

Закончив набивку тигля, специальными шамотными плитками выкладывают воротник тигля и сливной носик и обмазывают огнеупорным раствором из молотого шамота и огнеупорной глины.

Сушка и спекание футеровки производятся либо пламенем газовой горелки, либо током.

Таблица 1.1 — Характеристика ИЧТ-2,5

2. Расчет печи

2.1 Определение размеров рабочего пространства печи Рисунок 2.1 — Эскиз к геометрическому расчету тигельной печи Полезный объем тигля, занимаемый жидким металлом:

(2.1)

где Vт — полезный объем тигля

G — емкость тигля печи, т н — плотность расплава, т/м3

м3.

Для печи емкостью 6 т принимаем, А = 0,95

Средний (внутренний) диаметр тигля составляет:

; (2.2)

м.

Высота металла в тигле (садка):

h2=; (2.3)

h2= м.

Внутренний диаметр индуктора:

d1=d2, (2.4)

где дф — толщина футеровки,

диз — толщина изолировки (диз=0,01м).

дф=0,08; (2.5)

дф=0,08=0,12 м;

d1=1,04+2· 0,12+2·0,01=1,3 м.

Средняя толщина стенки тигля 0,105 м.

Высота внутренней полости тигля:

hт=(1,2ч1,4)h2 ;(2.6)

hт=1,3· 1,066=1,38 м.

Высота индуктора без учета холостых витков:

h1=h2· k2, (2.7)

где k2 — относительная высота индуктора, которая обычно в тигельных печах имеет значение 1,0ч1,2. h1 = 1,066· 1,1=1.17 м.

2.2 Тепловой расчет печи Задачей расчета является определение температуры наружной поверхности футеровки, расчет тепловых потерь и теплового к. п. д. печи.

Для выполнения данного расчета необходимы геометрические параметры печи, определенные в предыдущем разделе, а также некоторые данные:

— состав футеровки и тип тепловой изоляции, что обоснованно подбирается с учетом практики эксплуатации индукционных печей, условий технологического процесса и свойств используемых материалов;

— толщина отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, что также подбирается с учетом практических данных и некоторым результатам предыдущих расчетов:

— теплофизические характеристики отдельных слоев футеровки и теплоизоляции:

— средняя расчетная поверхность теплоотдачи на границах отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, что может быть приблизительно рассчитана с учетом основных геометрических параметров печи и толщины отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, при этом лучше руководствоваться масштабным рисунком (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Эскиз футеровки печи к тепловому расчету Тепловые потери рассчитывают для установившегося теплового режима при номинальном заполнении тигля расплавом, причем температуру внутренней стенки тигля и крышки принимают равной конечной температуре перегрева расплава Тр. Расчеты тепловых потерь ведут методом последовательных приближений до сходимости значений температур на границах слоев футеровки (в пределах заданной точности расчета). При этом температура на границе наружной поверхности (i+1)-го слоя футеровки, К:

(2.8)

где RTi — тепловое сопротивление i-го слоя, К/Вт;

(2.9)

PTi — тепловые потери через соответствующий элемент печи (боковую стенку, крышку и подину), определенные по формулам.

Тепловые потери через боковую стенку тигля, состоящей из двух слоев (футеровка и теплоизоляция), определяется по формуле для расчета теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку, Вт:

(2.10)

где Тиз — допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции (на границе с электрической изоляцией индуктора), которую для расчета можно принять ~ 423 К;

лф, лиз — теплопроводность футеровки и теплоизоляции (Вт/м· К) при средней температуре соответствующего слоя;

ср, (2.11)

виз — толщина изоляционного слоя из асбеста составляет 0,005ч0,015 м, принимаем для печи емкостью 6 т 0,01.

Тiср= К;

лф=1,4+0,660· 10−3·Tiср; (2.12)

лф=1,4+0,660· 10−3·1073=2,1;

лиз=0,157+0,221· 10−3· Tiср; (2.13)

лиз=0,157+0,221· 10−3·1073=0,4;

кВт.

Тепловые потери излучением с зеркала ванны, Вт:

(2.14)

где о — степень черноты расплава;

Т0- температура окружающего воздуха, которая принимается равной 20 °C;

С0- коэффициент излучения абсолютно черного тела, зависящий от природы тела, состояния поверхности и температуры (С0 =5,7 Вт/(м2· К4);

ж — коэффициент диафрагмирования.

РизкВт.

Тепловые потери через подину находим, полагая (для упрощения расчета) подину плоской, Вт:

(2.15)

где n — число слоев футеровки подины;

лi — теплопроводность слоя футеровки при его средней температуре Тi

ср, Вт/(м· К);

вi — толщина iтого слоя футеровки, м;

лп — коэффициент теплоотдачи естественной конвекции с наружной поверхности подины, Вт/(м2· К);

Sn — площадь наружной поверхности подины, м2;

Siср — площадь среднего сечения i-го слоя футеровки подины, которая определяется как средняя геометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя:

Siср=, если > 2, (2.16)

или без заметной погрешности расчетная поверхность отдельного слоя может как средняя арифметическая:

если? 2; (2.17)

РТ.П.= кВт.

Тепловые потери через крышку:

РТ.К.=; (2.18)

РТ.К.= кВт.

Суммарные тепловые потери печи:

РТ.?=kд (РТ.С.+Риз.kф+ РТ. К· ·kф+ РТ.П.), (2.19)

где kд — коэффициент дополнительных (неучтенных расчетом) тепловых потерь (обычно принимают kд?1,1ч1,2);

kфкоэффициент, учитывающий время работы печи с закрытой крышкой:

kф=; (2.20)

kф= ;

РТ.?=кВт.

Полезная мощность, необходимая для нагрева шихты до температуры плавления, расплавления загрузки и перегрева расплава до конечной температуры Тр:

Рпол =qр· gпл, (2.21)

где qр — энтальпия металла при конечной температуре (qр=0,37 кВт· ч/кг);

gпл — часовая производительность по расплавлению и перегреву (g

пл=1580 кг/ч);

Рпол=0,37· 1580=584,6 кВт.

Тогда активная мощность, которую нужно подвести к загрузке, чтобы обеспечить требуемую производительность:

Р2= Рпол+ РТ.?; (2.22)

Р2=584,6+142=726,6 кВт.

Тепловой к. п. д. проектируемой печи:

з=; (2.23)

з=.

Удельная мощность:

Руд=, (2.24)

где зээлектрический к. п. д. печи (при плавке чугуна и стали зэ=0,7ч0,8);

Руд = кВт.

Предельная мощность:

Рпред=36,31· f0,491 Вт/кг; (2.25)

Рпред=36,31· 500,491=247,8 Вт/кг.

2.3 Электрический расчет печи Задачей расчета является определение эквивалентных параметров индуктора с загрузкой, которых необходимо знать для дальнейшего расчета индукционной установки, а также для согласования параметров индуктора с параметрами источников питания.

Расчет параметров системы осуществляем по методу общего потока, определяем элементы схемы замещения, соответствующей идеализированной картине магнитного поля индуктора, как сопротивления отрезка бесконечно длинной системы и приводим их к току короткого индуктора. Расчет эквивалентных параметров системы индуктор-загрузка ведем в горячем режиме, т. е. при номинальном заполнении тигля расплавом, при конечной температуре металла Тр.

Находим активное и реактивное сопротивление индуктора, Ом/виток2:

rэ=r1+r2; (2.26)

xэ=x1В+x2. (2.27)

Значения сопротивлений в расчете приведены к одновитковому индуктору, т. е. измеряется в Омах на виток в квадрате. Для получения «полных» сопротивлений эти значения должны быть умножены на щ2 (щ — число витков индуктора).

Расчет эквивалентных параметров системы индуктор-загрузка ведем в горячем режиме, т. е. при номинальном заполнении тигля расплавом, при конечной температуре металла Тр.

Находим активное и реактивное сопротивление индуктора:

r1=x1В=с1·, (2.28)

где с1- удельное сопротивление материала индуктора (для меди с1?2· 10−6Ом·см, что соответствует температуре меди ~ 60°С);

?1 — глубина проникновения токав материал индуктора, м;

Kз.и. — коэффициент заполнения индуктора, равный отношению высоты индуктирующего витка без изоляции к шагу навивки (значение K

з.и зависит от конструкции индуктора и вида изоляции, K

з.и=0,75ч0,9);

(d1+?1) — расчетный диаметр индуктора (d1*).

?1; (2.29)

?1= см;

r1Ом/виток2.

Активное сопротивление загрузки:

r2=, (2.30)

где h2* - расчетная высота загрузки (можно принять h

Шбвспомогательная фракция, значение которой определяется по графику для соответствующего значения относительного радиуса загрузки Ш2;

?2 — глубина проникновения тока в материал загрузки.

Ш2=; (2.30)

Ш2= м;

?2=503; (2.31)

?2=503 м;

r2= Ом/виток2 .

Определяем внутреннее реактивное сопротивление загрузки:

x2=, (2.32)

где Шр — вспомогательная фракция, значение которой определяется по графику для Ш2.

x2= Ом/виток2.

Реактивное сопротивление воздушного зазора:

x3=; (2.33)

x3= Ом/виток2.

Реактивное сопротивление обратного замыкания:

x0=, (2.34)

где k1 — поправочный коэффициент, учитывающий конечную высоту реального индуктора (коэффициент Нагаока);

x10 — реактивное сопротивление пустого индуктора.

k1=; (2.35)

k1=;

x10=; (2.36)

x10= Ом/виток2;

x0=· 10−6 Ом/виток2.

Коэффициент приведения параметров загрузки к току индуктора:

спр=; (2.37)

спр=.

Тогда приведенные активное и реактивное сопротивления загрузки:

r2*=cnp· r2;(2.38)

r2*=0.3· 255.4·10−6=76.62·10−6 Ом/виток2;

x2*=cnp·

; (2.39)

x2*=0,3· = = 1242,87•10−6 Ом/виток2.

Эквивалентное полное сопротивление системы индуктор-загрузка:

zэ; (2.40)

rэ=8,789· 10−6+76,62·10−6=85,4·10−6 Ом/виток2;

xэ=8,789· 10−6+1242.87·10−6 =1251,65· 10−6 Ом/виток2;

zэ Ом/виток2.

Электрический к. п. д. и коэффициент мощности индуктора с загрузкой:

; (2.41)

; (2.42)

;

.

Активная мощность источника питания:

(2.43)

где звсп — учитывает электрические потери в короткой сети в конденсаторной батарее и других элементах установки принимаем звсп? 0,9.

кВт.

Выбираем электропечной трансформатор для питания ИПУ промышленной частоты ЭОМП 2000/10−72.

Число витков индуктора:

(2.44)

; (2.45)

кВт;

54,2.

Определяем ориентировочную высоту индуктирующего витка:

; (2.46)

мм.

Окончательно высоту индуктирующего витка принимаем 18 мм.

Уточняем высоту индуктора:

; (2.47)

м;

; (2.48)

.

Полученное число витков необходимо разметить по высоте индуктора. Зазор между витками заполняют электрической изоляцией из расчета иметь напряжение на 1 мм толщины изоляции в пределах 10ч40 В. Поэтому необходимый зазор определяют по формуле:

; (2.49)

мм.

Зная шаг витка фви изоляционный зазор? из можно уточнить высоту витка и коэффициент заполнения индуктора:

; (2.50)

м;

; (2.51)

.

Номинальное напряжение печи:

; (2.52)

В.

rи; (2.53)

xи; (2.54)

zи; (2.55)

rи Ом;

xи Ом;

zи Ом.

Сила тока индуктора:

; (2.56)

А.

Настил тока в индукторе (напряженность магнитного поля на внутренней поверхности индуктора):

; (2.57)

А/м.

Активную мощность, подведенную к индуктору, находим по уравнению:

; (2.58)

кВт.

2.4 Расчет охлаждения индуктора В задачу расчета входит определение потребного расхода воды, необходимого для отведения тепла, вызываемого электрическими потерями в индукторе, и потерь напора воды в индукторе, а также проверка допустимой температуры меди индуктора.

Индуктор нагревается не только в результате того, что через него проходит электрический ток, но и вследствие тепловых потерь нагреваемого изделия. Полные потери тепла с водой, охлаждающей индуктор, равны сумме электрических и тепловых потерь:

(2.59)

где Рэи — электрические потери в индукторе.

; (2.60)

кВт;

кВт.

Требуемое количество воды:

(2.61)

где Рохл — полные потери тепла с водой;

tохл — температура воды на входе в индуктор;

tвых — температура воды на выходе из индуктора.

м3/ч.

Скорость движения воды в индукторе:

(2.62)

где nвчисло параллельных витков охлаждения индуктора, от которого зависит скорость движения воды при определенном расходе Vохл6 как показывает практика, при скорости воды больше 1,5 м/с потери напора в индукторе превышают допустимые, поэтому ориентировочно принимается число секций равным (на первом цикле расчета можно принять).

м/с.

Определим число Рейнольдса, которое характеризует режим течения жидкости в канале:

(2.63)

где нв — кинетическая вязкость воды при средней температуре воды в канале;

dв.э — гидравлический эквивалент диаметра канала охлаждения, при цилиндрическом канале dв. э можно принимать равным диаметру канала охлаждения трубки индуктора dв.

; (2.64)

єС;

.

При Re>104 движение турбулентное.

Потери напора (перепад давления) воды на длине трубки индуктора (одной ветви охлаждения) также зависит от характера движения, т. е. числа Re. При турбулентном движении:

(2.65)

где lв — длина канала охлаждения одного витка индуктора;

ов — коэффициент трения для гладких труб, зависящий от числа Рейнольдса:

при Re?2· 103

при 2· 103

жпов — коэффициент сопротивления поворота струи на 360єС;

кш — коэффициент увеличения сопротивления, вызванный шероховатостью внутренней поверхностью канала охлаждения, кш= 2 ч 3.

; (2.66)

м;

; (2.67)

кПа.

Должно соблюдаться условие? р<202,6 кПа.

Теперь необходимо убедится, что условия конвективной теплопередачи в канале охлаждения обеспечивают отвод от индуктора суммарных потерь Рохл.

Мощность, которая может быть отведена охлаждающей водой:

(2.68)

где Тин — температура стенки индуктора (обычно Тин? 428 К) кв — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения теплового потока по периметру накала охлаждения (поверхность охлаждения составляет не более 40−45% внутренней поверхности трубки, т. к. ток циркулирует не по всей трубке, а только по той части ее, обращенной к нагреваемому изделию);

бв — коэффициент теплоотдачи от стенки индуктора к охлаждающей воды.

(2.67)

где Nu — критерий Нусельта.

При турбулентном режиме критерий Нусельта можно определить:

(2.68)

где Pr — критерий Прандмая, являющийся теплофизической характеристикой теплоносителя:

(2.69)

где бв — коэффициент температуропроводности воды.

;

;

кВт/(м2· К);

кВт.

Таким образом соблюдается условие:

Рохл<�Рв. (2.70)

2.5 Расчет конденсаторной батареи В индукционных нагревательных установках реактивная мощность достаточно велика, а, следовательно, cos ц весьма низок. Поэтому в установках такого типа для компенсации реактивной 0предусматривают включение в электрическую печь батареи конденсаторов, емкость которой выбирают из условий резонанса цепи печь-конденсаторы с частотой питающего тока. Батареи составляют из конденсаторных банок, часть из которых постоянно подключена к индуктору, а часть включена через коммутирующие устройства — эти банки пдключаются по мере необходимости для подстройки колебательного контура в резонанс при изменении параметров загрузки во время нагрева.

Задачей расчета является определение необходимого количества конденсаторных банок, а также электрических потерь в конденсаторах.

Тип конденсатора выбирают по справочным данным в зависимости от частоты тока, напряжения на индукторе. Выбираем конденсатор серии КСЭ 1,05−75V4.

Определяем реактивную мощность конденсаторной батареи, необходимую для доведения низкого cosц установки до значения cosцк: