ФГАОУ ВПО  «Уральский Федеральный Университет

 имени  первого Президента России Б.Н.  Ельцина» 
 

 КУРСОВАЯ  РАБОТА

ИДУКЦИОНАЯ  КАНАЛЬНАЯ ПЕЧЬ 
ДЛЯ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЯ

Руководитель                              Идиятулин А.А.

Студент гр. ЭЗ-48044КУку                        Яковлев А.С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011

СОДЕРЖАНИЕ 

СОДЕРЖАНИЕ……………………………………………….…………………..2

ВВЕДЕНИЕ...……………………………………………………………………...3

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И

ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПЕЧИ………………………………………………..6

    1.1 Принцип действия индукционной  канальной печи……………………6

    1.2 Конструкция индукционных канальных  печей………………………..8

2. НАЗНАЧЕНИЕ  ИНДУКЦИОННЫХ

КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ………………………………………………………….12

3. ДОСТОИНСТВА  И НЕДОСТАТКИ

ИНДУКЦИОННЫХ  КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ……………………………….….13

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ КАНАЛЬНОЙ

ПЕЧИ ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ  ДЛЯ ПЛАВКИ АЛЮНИЯ………………...…14

    4.1 Определение полной мощности  и количества индукционных…...….14

    единиц  индукционной канальной печи для  плавки алюминия

    4.2 Определение емкости печи…………………………………………….15

    4.3 Расчет сечения магнитопровода  печного трансформатора……….…16

    4.4 Расчет геометрических размеров  и числа витков

    индуктора. Расчет геометрических размеров

    магнитопровода  печного трансформатора………………………………..17

    4.5 Расчет геометрических размеров  канальной части

    индукционной  единицы……………………………………………...…….20

    4.6 Расчет электрических параметров

    индукционной  канальной печи…………………………………………….21

    4.7 Основные технические характеристики

    индукционной  канальной печи………………………….……..…………..23

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.………………………………………….………………..…..25

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.………………………………………….………………..…..26

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………..28

       ВВЕДЕНИЕ 

    Установки, в которых происходит превращение  электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, в результате которых происходит изменение вещества, называют электротехнологическими.

    Следует отметить то, что в электротехнологических процессах используются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов: электропроводность, магнитная проницаемость, диэлектрическая проницаемость, теплопроводность, теплоемкость.

    С веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), посредством  постоянных и переменных (различной  частоты) токов, постоянных и переменных электрических и магнитных полей (с широким диапазоном напряженностей) можно совершать бесчисленное множество операций, а именно: изменение температуры, формы, структуры, состава, изменение свойств в разных направлениях и т.д.

    Электротехнологические  установки условно делятся на следующие группы:

• электротермические – установки, основанные на тепловом действии тока;
• электрохимические – установки, основанные на электрическом действии тока;
• электрофизические (электромеханические установки, в которых импульсный ток вызывает возникновение электромеханических усилий в обрабатываемом материале; электрокинетические, в которых происходит преобразование энергии электрического поля в энергию движущихся частиц)
• специальные установки, представляющие совокупность различного рода воздействий, в частности, перенос энергии за счет электромагнитного поля, например, устройства для электродинамической сепарации в бегущем магнитном поле, предназначенные для извлечения ломов и отходов неферромагнитных металлов из твердых отходов, а также для сортировки ломов цветных металлов; устройства для электромагнитного транспорта и электромагнитного перемешивания жидких металлов.

    Среди перечисленных, групп группа электротермических установок является одной из наиболее распространенных.

    Электротермическое  оборудование предназначено для  технологического процесса тепловой обработки  с использованием электроэнергии в  качестве основного энергоносителя.

    Электротермическое  оборудование классифицируется следующим  образом:

    1. Электрические печи (электропечи) – оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую и имеющее нагревательную камеру, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие «электропечь» может охватывать как собственно печь, так и в некоторых случаях печь со специальным оборудованием, входящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный тепловой режим.

    2. Электротермические устройства – оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую, без нагревательной камеры.

    3. Электротермические агрегаты – совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и другого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.), обеспечивающих его нормальное функционирование.

    Электротермическое  оборудование разнообразно по назначению, конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам.

    Наиболее  существенные особенности электротермического  оборудования выявляются при классификации по методу нагрева, т.е. по способу преобразования электрической энергии в тепловую и подвода ее к нагреваемому телу.

    По  методу нагрева электротермическое оборудование (ЭТО) подразделяется следующим образом:

    - ЭТО сопротивления – с выделением теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока;

    - дуговое ЭТО – с выделением теплоты в электрической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами;

    - индукционное ЭТО – с передачей электроэнергии нагреваемому телу, помещенному в переменное электрическое поле, и превращением ее в тепловую энергию при протекании индуцированных токов;

    - диэлектрическое ЭТО – с выделением теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при электрической поляризации;

    - электронно-лучевое ЭТО – с выделением теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом;

    - ионное ЭТО - с выделением теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме;

    - лазерное ЭТО - с выделением теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах;

    - плазменное ЭТО - с выделением теплоты, основанном на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле;

    - сварочное ЭТО - с выделением теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки.

    Сварочные ЭТО делятся по виду сварки:

    - контактная,

    - дуговая,

    - индукционная,

    - лазерная,

    - электрошлаковая,

    - плазменная.

    Среди электротермического оборудования важное место занимает группа индукционного ЭТО.

    Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т.п.).

    Индукционной  плавильной установкой называют индукционную установку, в которой нагреваемый металл или сплав доводится до плавления, т.е. меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева.

    В индукционной нагревательной установке  конечная температура нагрева всегда ниже температуры плавления материала. 
 

       1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПЕЧИ

     1.1 Принцип действия индукционной  канальной печи

      Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций. Конструктивно печь состоит (рис. 1.1) из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной индукционной единицы.

      Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.

      Система индуктор-магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1.

      Индукционная  единица объединяет печной трансформатор  и подовый камень с каналом.

       Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны.

      Ток, протекающий во вторичной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти  вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 – 95% подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.

      Перемещение металла обусловлено главным  образом электродинамическими усилиями, возникающими в канале, и в меньшей степени конвекцией, связанной перегревом металла в канале по отношению к ванне. Перегрев ограничивается некоторой допустимой величиной, лимитирующей допускаемую мощность в канале.

        Рисунок 1.2 Принципиальная схема  индукционной канальной печи 

      Принцип действия канальной печи требует  постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 25 – 30% полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Замораживание металла в канале не допускается, во время межплавочного простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.

      Индукционная  канальная печь имеет следующие  отличия от силовых трансформаторов:

      1) вторичная обмотка совмещена  с нагрузкой и имеет только  один виток N2, с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков N1 (рис. 1.2);

      2) вторичный виток – канал находится  от индуктора на относительно  большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощностью, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что энергетические показатели индукционной канальной печи – это электрический коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – заметно ниже, чем у обычного трансформатора. 
 
 

      1.2 Конструкция индукционных канальных  печей 

      При большом разнообразии типов индукционных канальных печей основные конструктивные узлы являются общими для них всех: футеровка, трансформатор печи, корпус, вентиляционная установка, механизм наклона (рис. 1.3). 

      Рисунок 1.3 Индукционная канальная печь:

      1- кожух; 2 - механизм поворота: 3 - футеровка; 4 - индукционная единица; 5- воздушное    охлаждение футеровки канальной части; 6 - подвод тока и воды к индукторам.

Трансформатор печи

      Схема трансформатора печи, элементами которого являются: магнитопровод, индуктор, канал, определяется конструкцией печи.

      Печь  с одной индукционной единицей имеет  однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом. Широко применяются также трансформаторы со стержневыми магнитопроводами. Напряжение на первичную обмотку (индуктор) подается от питающего автотрансформатора с большим числом ступеней напряжения, что позволяет регулировать мощность печи. Автотрансформатор включается на линейное напряжение цеховой сети обычно без симметрирующего устройства, поскольку мощность однофазных печей относительно невелика.

      Магнитопровод трансформатора печи изготовляется из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съемным из-за регулярной сборки и разборки. Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора – квадратная или прямоугольная, а при значительной мощности – крестообразная или ступенчатая.

      Индуктор представляет собой выполненную из медного провода спиральную катушку. Как правило, катушка индуктора имеет круглое поперечное сечение. Однако в печах, имеющих прямоугольный контур плавильного канала, катушка индуктора может повторять его форму. Полученный из электрического расчета диаметр индуктора определяет размеры располагаемого внутри него сердечника.

      Печной  трансформатор работает в тяжелых  температурных условиях. Он нагревается  не только за счет электрических потерь в меди и стали, как обычный трансформатор, но и за счет тепловых потерь через футеровку плавильного канала. Поэтому всегда применятся форсированное охлаждение печного трансформатора.

      Индуктор  канальной печи имеет принудительное воздушное или водяное охлаждение. При воздушном охлаждении индуктор изготовлен из медного обмоточного провода прямоугольного сечения, средняя плотность тока составляет 2,5 – 4 А/мм². При водяном охлаждении – из профилированной медной трубки, желательно неравностенной, с толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) 10 – 15 мм. Средняя плотность тока достигает 15 А/мм². Индуктор, как правило, выполняется однослойным, в редких случаях – двухслойным. Последний значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.

Корпус  печи

      Обычно  корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны и кожуха индукционной единицы. Кожух ванны у печей малой емкости, а у барабанных печей также и значительной мощности, может быть выполнен достаточно прочным и жестким, что позволяет отказаться от каркаса. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклоненном положении.

      Каркас  изготовляется из стальных фасонных балок. Цапфы оси наклона опираются  на подшипники, смонтированные на опорах, установленных на фундаменте. Кожух ванны изготовляется из листовой стали толщиной 6 –15 мм и снабжается ребрами жесткости.

      Кожух индукционной единицы служит для  соединения подового камня и печного  трансформатора печи в единый конструктивный элемент. Двухкамерные печи не имею отдельного кожуха индукционной единицы, он составляет у них одно целое с кожухом ванны. Кожух индукционной единицы охватывает индуктор, поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи он делается составным из двух половин с изолирующей прокладкой между ними. Стяжка производится болтами, снабженными изолирующими втулками и шайбами. Таким же образом кожух индукционной единицы крепится к кожуху ванны.

      Кожухи  индукционных единиц могут быть литыми или сварными, часто имеют ребра жесткости. В качестве материала для кожухов предпочтительнее использовать немагнитные сплавы. Двухкамерные печи имеют один общий кожух ванны и индукционной единицы.

Вентиляционная  установка

      В печах небольшой емкости, не имеющих  водяного охлаждения, вентиляционная установка служит для отвода тепла от индуктора и поверхности проема подового камня, нагреваемой за счет теплопроводности от расплавленного металла в близко расположенных каналах. Применение водоохлаждаемого индуктора не освобождает от необходимости вентилировать проем подового камня во избежание перегрева его поверхности. Хотя современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но и водяное охлаждение кожухов и проемов, вентиляционная, установка является обязательным элементом оборудования канальной печи.

Механизм  наклона

      Канальные печи малой емкости (до 150 – 200 кг) снабжаются обычно механизмом наклона с ручным приводом, ось наклона проходит вблизи центра тяжести печи.

      Крупные печи оборудуются механизмами наклона  с гидравлическим приводом. Ось наклона располагается у сливного носка.

      Наклон  барабанных печей осуществляется путем  поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. При вертикальном положении  печи леточное отверстие находится выше уровня жидкого металла, при повороте печи на катках оно оказывается под зеркалом ванны. Положение летки относительно ковша в процессе слива металла не изменяется, поскольку летка располагается в центре опорного диска, на оси поворота.

      Механизм  наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи.

      Футеровка канальной печи является одним из основных и ответственных элементов, от которого зависят многие технико-экономические показатели, производительность и надежность ее работы. К футеровке ванны печи и индукционным единицам (подовому камню) предъявляются разные требования. Футеровка ванны должна иметь высокую стойкость и длительный срок службы, так как стоимость футеровочных материалов высока, а время, необходимое для ее замены и сушки, может составлять несколько недель. Кроме того, футеровка ванны печи должна иметь хорошие теплоизоляционные свойства, с тем, чтобы повысить тепловой КПД печи.

      Материалы, применяемые для футеровки ванны, должны обладать постоянством объема при обжиге и иметь минимальный температурный коэффициент расширения при нагреве, чтобы исключить возможность возникновения опасных термических и механических напряжений.

      Огнеупорный слой футеровки ванны должен противостоять  высоким термическим, химическим и  механическим нагрузкам. Огнеупорные  материалы, применяемые для этой цели, должны обладать высокой плотностью, огнеупорностью, шлакоустойчивостью, термической стойкостью и иметь высокую механическую прочность.

      Для правильного выбора и эффективного использования огнеупорного материала  в конкретных печах необходимо детально знать, с одной стороны, все важнейшие  свойства материала, а с другой стороны - условия службы футеровки.

      Согласно  классификации все огнеупорные  изделия подразделяются еще по следующим  признакам:

      1) по степени огнеупорности на  огнеупорные (от 1580 до 1770 °С), высокоогнеупорные (от 1770 до 2000 °С) и высшей огнеупорности (выше 2000°С);

      2) по форме, размерам на нормальный  кирпич «прямой» и «клиновой», фасонные изделия простые, сложные,  особо сложные, крупноблочные  и монолитные огнеупорные бетоны, которые одновременно являются безобжиговыми огнеупорами;

      3) по способу изготовления на  изделия, полученные пластичным  формованием (прессованием), полусухим прессованием, трамбованием из порошкообразных непластичных сухих и полусухих масс, литьем из шликера и расплава, вибрированием из огнеупорных бетонов, выпиливанием из плавленых блоков и горных пород;

      4) по характеру термической обработки  на безобжиговые, обожженные и отлитые из расплава;

      5) по характеру их пористости (плотности)  особо плотные, спекшиеся с  пористостью менее 3 %, высокоплотные  с пористостью  3 – 10 %, плотные с пористостью 10 – 20 %, обычные с пористостью 20 – 30 %, легковесные, теплоизоляционные с пористостью 45 – 85 %.

       2. НАЗНАЧЕНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ КАНАЛЬНЫХ  ПЕЧЕЙ 

      Индукционные  канальные печи в основном используются для плавки цветных металлов (медь и сплавы на медной основе – латуни, бронзы, нейзильберы, мельхиоры, куниали; 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 выплавки 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.

       3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ИНДУКЦИОННЫХ

      КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

    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.