Печи литейных цехов. 2
Содержание
Аннотация 3
Введение 4
- Индукционные тигельные печи 5
1.1. Назначение индукционных тигельных
печей
1.2. Принцип действия индукционной тигельной печи 10
1.3. Типы конструкций тигельной печи 12
- Электрический расчет индукционной печи 17
2.1Расчет мощности индукционной печи 18
2.Основной расчет печи
Заключение 27
Список используемой литературы 28
Аннотация
В курсовой работе рассмотрена индукционная сталеплавильная печь для выплавки сталей 12х18н10т: дана общая характеристика печи, описан принцип работы индукционной печи с основной и с кислой футеровкой.
Также приведены расчеты печи для выплавки стали массой 1000кг марки 12х18н10т.
Объем контрольно – курсовой работы составляет 28 страниц стандартного листа формата А4 и чертеж индукционной печи типа ДСП А1.
Введение
В электропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше. В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.
Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные стали, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих Печах.
Мощные электропечи успешно
применяют для получения
- ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
1.1. Назначение индукционных тигельных
печей
Индукционные тигельные
печи (ИТП) широко применяются
в промыш-ленности для плавки
черных и цветных металлов
как на воздухе, так и в
вакууме и в защитных
В качестве примера в табл. 2.1 приведены технические данные некоторых
тигельных индукционных печей [4, 5, 17], на рис. 2.1, 2.2, 2.3 индукционные тигельные печи для плавки алюминия емкостью 6 тонн, для плавки сплавов на основе меди емкостью 2.5 тонны, для плавки чугуна емкостью 10 тонн, а в табл. 2.2 приведены характеристики некоторых металлов и сплавов, расплавляемых в индукционных тигельных печах.
Плавка обычных сортов стали в печах без сердечника менее экономична, чем в дуговых, так же как и обычных цветных металлов и сплавов, по срав-нению с индукционными канальными печами. Однако в настоящее время тигельные индукционные печи повышенной и промышленной частоты широко применяют за рубежом и в России для плавки обычных тяжелых и легких цветных металлов и их сплавов в производствах с периодическим режимом работы и широким ассортиментом выплавляемых сплавов, а также для плавки сильно загрязненной шихты с большим содержанием стружки или сплавов, требующих модифицирования, поскольку в канальных печах наличие каналов затрудняет перевод печей с плавки одного сплава на другой, и в то же время флюсы и модифицирующие соли, а также грязная мелкая шихта способствуют зарастанию каналов.
Таким образом, тигельные индукционные печи, хотя и отличаются более низкими КПД и ϕ cos , а также представляют собой более дорогое и сложное электротехническое устройство по сравнению с индукционными канальными печами, все же в указанных случаях более приемлемы и удобны в эксплуатации. Следует отметить попытку совмещения некоторых достоинств и преимуществ индукционных канальных печей (высокий электрический КПД) и индукционных тигельных печей (относительная простота ее футеровки) в промежуточном конструктивном решении между этими типами печей – создание индукционной тигельной печи с кольцевой камерой (рис. 2.4, 2.5).
При таком решении могут частично проявиться преимущества обоих основных типов печей. Из-за наличия канала, открытого сверху, который к тому же еще и много шире, чем в канальной печи, металл в печи можно замораживать и вновь запускать печь, используя кольцо замерзшего металла или заливая жидкий металл [20].
Интенсивное движение
расплава, имеющее место в
печи с кольцевой камерой,
ограничивает мощность печи.
Поэтому такая печь используется
преимущественно для
Достоинства тигельных плавильных печей:
• Выделение энергии
• Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов,однородных по химическому составу.
• Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи).
• 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 создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечиваютв озможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую.
Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автомати-зации процесса. Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.
Необходимо отметить следующие недостатки тигельных печей:
• Относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки. Относительно холодные шлаки затрудняют протекание реакций между металлом и шлаком и, следовательно, затрудняют процессы рафинирования. Шлак в ИТП, индифферентный к электрическому току, нагревается только от рас-плавляемого металла, поэтому его температура всегда ниже.
• Сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих тем-пературах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний тем-пературы футеровки при полном сливе металла).
• Высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах вы-ше 50 Гц.
• Более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в установке источник получения высокой или повышенной частоты, а также конденсаторов, а также при плавке материалов с малым удель-ным сопротивлением.
Сочетанием таких качеств (высокая стоимость электрооборудования и низкий КПД) определяется область применения индукционных тигельных пе-чей: плавка легированных сталей и синтетического чугуна, цветных тяжелых и легких сплавов, редких и благородных металлов. Поскольку область применения этих печей ограничивается не техническими, а экономическими факторами, по мере увеличения производства электроэнергии она непрерывно расширяется, захватывая все более дешевые металлы и сплавы.
К сказанному необходимо добавить, что тигельные индукционные печи широко применяют для плавки и выдержки чугуна.
Основной тенденцией в развитии индукционных тигельных печей являет-ся рост как единичной емкости, так и суммарной емкости парка печей, связан-ный, прежде всего с потребностью в больших количествах высококачественного металла. Кроме того, при увеличении емкости повышается КПД печи и снижаются удельные расходы на ее изготовление и эксплуатацию.
По сравнению с топливными печами производительность тигельных ин-дукционных печей выше; кроме того, плавка в тигельных индукционных печах дает металл более высокого качества и потери выплавляемых сплавов меньше.
Тигельные печи все чаще стали использовать в комплексе с другими пла-вильными агрегатами (вагранками, дуговыми печами). В этих случаях металл, предварительно расплавленный в указанных печах, поступает в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического состава.
1.2. Принцип действия индукционной тигельной печи
В основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной.
Подводимая к первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую.
Индукционные тигельные печи также называют индукционными печами без сердечника. Печь представляет собой плавильный тигель,как правило, цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока (рис. 2.6). Металлическая шихта (материал, подлежащий плавлению) загружается в тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи (рис. 2.6) первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемый переменным током, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора.
Магнитный поток в тигельной печи проходит в той или иной степени по самой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое значение магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты.
Когда в качестве шихты применяют ферромагнитные металлы, то до того момента, пока их температура еще не достигла точки Кюри,т.е. o
~ 770÷ 740 С, их магнитная проницаемость сохраняет свою величину. В этом случае шихта будет играть роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого сердечника. Иначе говоря, при плавке в тигельной печи ферромагнитных металлов разогрев шихты в первый период (до точки Кюри) произойдет не только за счет тепла, выделяемого от циркуляции в ней вихревых токов, но и за счет потерь на ее перемагничивание, которое в этот период наблюдается в шихте. После точки Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушного трансформатора, т.е. трансформатора без сердечника.
Тигельная печь по принципу действия подобна воздушному трансформатору.
Мощность, а следовательно,
и тепло, выделяемое вихревыми токами,
которые наводятся и
Как показали теоретические и экспериментальные исследования печей без сердечника, частота питающего тока может быть соответственно понижена в зависимости от диаметра садки, т.е. емкости печи, и удельного сопротивления расплавляемого металла. В частности, этими исследованиями определены следующие основные положения, которые позволили значительно упростить установку печей без сердечника:
- каждой емкости печи и сопротивлению шихты соответствует своя оп-тимальная частота питающего тока. При частоте, ниже оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – почти не изменя-ется;
- с увеличением емкости
печи частоту тока можно
В результате анализа отмеченных выше факторов (диаметра садки и со-противления шихты), влияющих на частоту питающего тока, было получено уравнение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и диаметра садки [2, 3]:
где f min - минимальная частота тока, Гц;
ρ 2- удельное сопротивление расплавленного металла;
d - диаметр садки.
Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоскости витков обмотки, вызовет вихревые токи.
Вследствие поверхностного эффекта эти наведенные в садке токи дости-гают максимальной величины на внешней поверхности последней и значительно уменьшаются от краев к середине. Такое уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру происходит по сложному закону (комбинация функций Бесселя).
При большом сечении проводника или при большой частоте тока умень-шение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону.
1.3. Типы конструкций тигельной печи
Индукционная плавильная тигельная печь (рис. 2.10) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором 1. Поскольку загрузка 2 нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель — сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электриче-ских свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящим (рис. 2.10, а) и проводящим (рис. 2.10, б) тиглем. К первой группе относятся печи с диэлектрическим керамическим тиг-лем 3, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка (садка) нагревается индуктированным в ней током, тигель же эквивалентен воздушному зазору.
Ко второй группе относятся печи со стальным, графитовым или графито-
шамотным тиглем 4, обладающим большей или меньшей электропроводностью. Если толщина стенки тигля более чем вдвое превышает глубину проникновения тока в материал тигля, то можно считать, что индуктированный ток сосредоточен в стенке тигля, загрузка же прогревается только путем теплопередачи и может не обладать электропроводностью. При меньшей толщине стенки тигля электромагнитное поле проникает в загрузку и энергия выделяется как в стенке тигля, так и в самой загрузке, если она электропроводна. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию 5. По характеру рабочей среды индукционные тигельные печи можно разделить на открытые, работающие в атмосфере, и вакуумные. Конструкции вакуумных печей обеспечивают как плавку, так и разливку металла в вакууме, благодаря чему содержание растворенных в металле газов получается очень низким.
Индуктор и футеровка, основной частью которой является тигель, укреп-ляются в корпусе печи. Конструктивные детали корпуса располагаются вне индуктора на небольшом расстоянии от него, т. е. в области, пронизываемой магнитным потоком индуктора на пути его обратного замыкания. Поэтому в металлических деталях корпуса могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев.
Для уменьшения потерь в корпусе у печей небольшой емкости основные детали корпуса изготавливаются из непроводящих материалов. Возможно также удаление металлических узлов корпуса на большее расстояние от индуктора, в область более слабого поля.
Однако такое конструктивное решение приводит к резкому увеличению габаритов печи и потому приемлемо лишь для печей самой малой емкости. У печей значительной емкости приходится узлы несущей конструкции защищать от внешнего поля индуктора.
Для защиты используют магнитопровод в виде вертикальных пакетов трансформаторной стали, располагающихся вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала с малым удельным сопротивлением; потери в таком экране невелики. Таким образом, в соответствии с методом снижения потерь в корпусе индукционные тигельные печи делятся на три класса:
а) неэкранированные;
б) с магнитопроводом;
в) с электромагнитным экраном.
Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц; с уменьшением емкости печи частота тока должна повышаться, чтобы сохранилось соотношение между глубиной проникновения тока и диаметром загрузки, обеспечивающее высокий КПД индуктора.
По частоте питающего тока индукционные тигельные печи можно классифицировать следующим образом:
а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;
б) работающие на частоте 500—10000 Гц с питанием от вентильных
или машинных преобразователей частоты;
в) работающие на частотах 150 и 250 Гц с питанием от статических ум-
ножителей частоты;
г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети; при значительной
мощности оборудованные симметрирующими устройствами.
Керамический тигель индукционной тигельной печи имеет простейшую форму и надежен в эксплуатации. По этой причине тигельная печь является самым распространенным типом индукционной печи.
Принцип работы всех тигельных печей одинаков и соответственно оди-наково их назначение. Разнообразие применения определяет и различие конструктивных форм.
Существуют три конструкции, различные по способу проведения магнит-ного потока с внешней стороны индуктора (рис. 2.11):
а) магнитный поток проходит по магнитопроводам из трансформаторной стали;
б) магнитный поток проходит по воздуху, стальные конструктивные час-ти защищаются от интенсивного нагрева с помощью медного листа, экранирующего магнитное поле;
в) магнитный поток проходит по воздуху.
Эти три варианта имеют наимено
вания:
а) закрытая конструкция;
б) экранированная конструкция;
в) открытая конструкция.
Открытая конструкция. Вне тиглямагнитное поле проходит по воздуху. Открытая конструкция в основном целесообразна для малых печей.
Закрытая конструкция. В такой конструкции магнитный поток вне катушкипроходит по радиально расположеннымпакетам трансформаторной стали магнитопроводам. Число магнитопроводов и их параметры зависят от габаритов печи мощности и частоты. Закрытые конструкции используют почти исключительно в печах промышленной частоты и в индукционных печах повышенной частотыбольшой емкости.
Экранированная конструкция. Конструкция также компактная, что, однакодостигается ценой дополнительных затрат. Кроме того, замкнутый экранирующий кожух не позволяет осуществитьудобное и всестороннее наблюдение заиндуктором. В связи с этим конструкция не может получить широкого применения [20].
Диапазон емкостей индукционных тигельных печей очень широк. В качестве примера печи минимальной емкости (0,1 кг) можно указать отечественную установку для литья зубных протезов из нержавеющей стали, а максимальной (120 т) — печь фирмы «Юнкер» (ФРГ), предназначенную для отливки крупных судовых винтов из бронзы.
Наибольшее распространение в промышленности получили печи емкостью более 140 дм3. Печи этой группы работают на промышленной частоте или на повышенных частотах. Индукционная единица (индуктор вместе с несущей крепежной конструкцией, встроенный в кожух, образованный магнитопроводами и жесткими профилями стали) в этих печах с помощью болтового соединения подвешивается к опрокидывающейся раме, вместе с которой поворачивается вокруг сливного носка при разливке.
Межвитковая изоляция индуктора осуществляется изоляционными про-кладками, рассчитанными на витковое напряжение. Индуктор в целом покрыт изоляционным материалом, обеспечивающим его изоляцию от конструктивных элементов печи, имеющих потенциал земли. Снаружи индуктор полностью защищен от проникновения пыли и брызг за-щитной облицовкой. Внутри индуктор обмазан керамической массой, имеющей хорошие электроизоляционные свойства. Благодаря этому создается гладкая плотная опора для рабочей футеровки. На внутренней поверхности индуктора выложен слой асбеста, толщина которого выбирается такой, чтобы обеспечить перепад температуры, необходимый для хорошей стойкости футеровочной массы. Этот перепад выбирается таким образом, чтобы образовался тонкий, прочный, оплавленный слой (примерно 1/3 всей толщины), прочный спеченный слой (примерно 1/3) и ближе к индуктору – рыхлый слой, хорошо воспринимающий деформации, связанные с температурными изменениями. В противо-положность этому асбестовый слой должен быть плотным. Для стойкости керамического тигля является чрезвычайно важным то, чтобы путем тщательного нанесения асбеста (в случае необходимости предварительно увлажненного и затем высушенного с сохранением формы) образовалась гладкая, жесткая опора для набивного слоя.
Изоляция индуктора выполняется таким образом, чтобы из тигля через индуктор могла удаляться влага. Пакеты трансформаторной стали встраиваются в конструкцию из стальных профилей и могут быть установлены вплотную к индуктору. При тщательной стяжке магнитопроводов, постоянном контроле и подтягивании их в процессе эксплуатации создается очень жесткое цилиндри-ческое тело, в котором расположен набивной тигель. Число и размеры магни-топроводов определяются габаритами и производительностью печи. Пакеты так встраиваются в конструкцию печного кожуха, чтобы они могли быть хорошо закреплены около индуктора, а в случае их повреждения могли бы быть отдельно заменены без демонтажа его и выбивания тигля. Верхняя опрокидывающаяся рама установлена на основной раме вместе с двумя своими опорами. В ней расположено вращающееся крепление обоих гидравлических цилиндров наклона. Тигель закрывается футерованной крышкой. Эта крышка может выполняться как поворотная или откидная. Поворотная крышка имеет то преимущество, что она, будучи полностью открытой, со всех сторон обеспечивает доступ к расплаву или подаче шихты и, в частности, сзади в отличие от откидной. Так как баланс преимуществ и недостатков зависит от местных производственных условий, то для реализации может быть выбран тот ли другой вариант выполнения крышки. В обоих случаях крышка приводится в действие гидравлически от маслонапорной установки.
Чтобы обеспечить широкие возможности при эксплуатации индукцион-ной тигельной печи, необходимо иметь возможность подачи энергии к печи также и в наклонном положении (не возникает трудностей с поддержанием расплава в разогретом состоянии при любом наклоне).
Питание электрическим током осуществляется через кабель, охлаждаемый водой, который в связи с этим выполняет также функции водоподвода. Общее снабжение водой может предусматривать также использование раздельных шлангов. Установка печи должна быть выполнена так, чтобы обеспечить хорошее наблюдение и контроль за печью. Надежное с точки зрения прорывов металла конструктивное выполнение подвала печи осуществляется путем выполнения специального приемного котлована, а также путем защищенной прокладки водо- и маслоподводов и керамической облицовки всех важнейших конструктивных элементов.
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ
В данной главе приводятся последовательность инженерного электриче-ского расчета с элементами расчета по [2, 3, 6, 7] индукционной тигельной печи и примеры расчета по отдельным этапам. Для проведения электрического расчета в качестве исходных данных необходимо знать:
- наименование расплавляемого металла или марку сплава и его состав;
- конфигурацию и характерные размеры кусков шихты;
- исходную температуру загружаемой шихты, для ферромагнит-ных материалов – температуру точки Кюри, температуру плавления и температуру разливки;
- удельные электросопротивления шихты для вышеуказанных температур;
- теплосодержание или энтальпию, теплоемкость и скрытую теплоту плавления металла или сплава для вышеуказанных температур;
- емкость тигля;
- производительность печи;
- длительность процесса плавки;
- длительность вспомогательных операций;
- параметры питающей сети.
2.1. Расчет мощности индукционной тигельной печи
Полезная мощность ИТП определяется по выражению
где q- теплосодержание расплавляемого металла или сплава при температуре разливки, Дж/кг;
G - емкость печи, т;
t - время плавки, ч.
Если известна энтальпия металла или сплава при температуре разлив-
ки, то полезная мощность ИТП определяется по выражению
Суммарные тепловые потери ∆ составляют 35− 5 % полезной мощности печи , причем меньшая цифра относится к печам большей емкости. Термический КПД () индукционной тигельной печи обычно составляет 75−95% и определяется по выражению
Активная мощность , передаваемая в загрузку (садку) ИТП определяется по выражению
Активная мощность ИТП ориентировочно определяется по выражению
где - электрический КПД индуктора ИТП. Значение может составлять70−95 %. Это значение тем выше, чем больше удельное сопротивлениерасплавляемого металла или сплава. По данным [6], при плавке алюминия η= 5 0÷6 0, при плавке чугуна и стали η=0. 85÷7 0
Мощность источника питания должна быть несколько больше (на 5÷10%) активной мощности . Это связано с тем, что источник питания должен покрывать потери в токоподводе и в конденсаторах.
Мощность источника питания определяется по выражению
После определения ориентировочной мощности печной установки и выбора частоты тока производится подбор источника питания.
2.2Расчет печи
Рассчитать мощность источника питания индукционной тигельной печи емкостью G = 0,5т. Печь предназначена для плавки стали, имеющей следующие характеристики:
