Печи литейных цехов

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

Введение 

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

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

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

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

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

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

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

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

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

Описание аналогичной конструкции 
 

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

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

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

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

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

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

В [7] приведена  следующая классификация индукционных канальных печей и миксеров.

     Печь  ИЛК - шахтного и барабанного типов  – предназначена для плавки

 меди  и сплавов на медной основе.

     Миксер  ИЛКМ предназначен для выдержки, перегрева  и разливки меди и сплавов на медной основе.

     Печь  ИАК предназначена для плавки алюминия и его сплавов.

     Миксер  ИАКР предназначен для перегрева, поддержания  стабильной температуры жидкого  алюминия и заливки его непосредственно  в литейные формы.

     Печь  ИЦК предназначена для плавки катодного цинка.

     Миксер  ИЧКМ – шахтного и барабанного типов - предназначен для выдержки, перегрева, разливки жидкого чугуна, может работать в комплекте с вагранками или индукционными тигельными печами, или дуговыми печами (дуплекс-процесс).

     Миксер  раздаточный ИЧКР предназначен для  перегрева, поддержания стабильной температуры жидкого чугуна и  заливки его непосредственно в литейные формы, работает в комплексе с литейными машинами и литейными конвейерами.

     Канальные печи могут работать самостоятельно с периодической разливкой расплавленного металла или сплава либо в составе плавильнораздаточных агрегатов.

     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. 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

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.

     К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся:

     1. Тяжелые условия работы футеровки  канала – подового камня. Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава, при плавке сплавов, содержащих химически активные компоненты (например, бронзы, имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания каналов.

     2. Необходимость постоянно (даже  при длительных перерывах в  работе) держать в печи сравнительно  большое количество расплавленного  металла. Полный слив металла  ведет к резкому охлаждению  футеровки каналов и к ее  растрескиванию. По этой причине  невозможен также быстрый переход  с одной марки выплавляемого  сплава на другую. В этом случае  приходится проводить ряд балластных  переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют состав сплава от исходного до требуемого.

     3. Шлак на поверхности ванны  имеет низкую температуру. Это затрудняет проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком. По этой же причине, а также ввиду малой циркуляции расплава вблизи поверхности затруднено расплавление стружки и легкого скрапа.  
 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

Расчет  проектируемого агрегата 

     Исходные  данные для расчёта:

     Емкость – 8 тонн;

     Мощность  – 1000 кВт;

     Производительность  – 7,5 тонн/час;

     Частота тока – 50 Гц;

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

          Р_пол = W_теор∆t×П = 0,057×700×7,5 = 299,25 кВт

     где,  W_теор – теоретический удельный расход энергии для перегрева металла на 1^ºС, кВт×ч/т; ∆t – температура перегрева металла в печи, ^ºС ; П – производительность    печи, т/ч.

2. Активная мощность печи, кВт:

         Р = Р_пол / ή_терм = 299,25 / 0,8 = 374,06 кВт

     где, ή_терм – термический КПД печи, равный 0,6 – 0,85.

     Принимаем Р = 400 кВт

3. Активная мощность индуктора, кВт:

         Р_инд = Р / N = 400 / 2 = 200 кВт

     где, N – число индукторов на печи.

4. Площадь поперечного сечения стержня магнитопровода индуктора, см²:

         см²

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

5. Диаметр стержня магнитопровода, мм:

        мм

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

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

6. Наружный диаметр катушки, мм:

     d_кат = d_мг + 2 (S_з + S_кат ) = 133 + 2 (15 + 50) = 263 мм

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

7. Внутренний диаметр канала, мм:

     d_к.в = d_кат + 2 (S₁ + S₂ ) = 263 + 2(100 + 25) = 513 мм.

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

8. Ширина канала в мм. Принимаем ширину канала 130 мм, т.е. b_k = 130 мм.
9. Длина канала в мм.

Длину канала определяем по его средней линии. Длина криволинейной  части канала 1185 мм, длина прямолинейного участка 133 мм.

                                  l_k = 1185 + 2×133 = 1451 мм.   

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

            F_k = 10³× Р_инд / (j₂²×ρ_м× l_k) = 10³× 200 / (100×10¹²×47,6×10^-8× 1,451) = 0,003 м².

     где, j₂ – плотность тока в канале, А / м²; ρ_м – удельное электросопротивление металла, Ом×м.   Принимаем ρ_м=47,6 Ом×м.  

11. Форма поперечного сечения канала. В поперечном сечении канал может иметь форму окружности, эллипса, овала или другой фигуры, не имеющей углов. Размеры поперечного сечения канала определяем с учётом уже найденной площади поперечного сечения и ширины канала.

     Принимаем канал в форме овала. Тогда  b_k = 130 мм,  h_k = 240 мм, F_k = 0,004 м².

12. Активное сопротивление канала, Ом:

                 R = ρ_м× l_k / F_k = 47,6×10^-8×1,451 / 0,003= 2,3×10^-4 Ом.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

Индуктивность канала

                                L = L_внеш + L_вн = 3,5×10^-7 + 0,72 ×10^-7 = 4,22 ×10^-7 Гн

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

     L_внеш = 2×10^-7× l_р× l_k ln(R₁ / R₂) = 2×10^-7× 1,15× 1,451 ln(0,19 / 0,065) = 3,5×10^-7 Гн.    

       L_вн = 10^-7 × l_k /2 = 10^-7 × 1,451/2 = 0,72 ×10^-7 Гн    

     где, R₁ – расстояние от оси канала до катушки плюс глубина проникновения тока в катушку; R₂ – расстояние от оси канала до поверхности канала, т.е. R₂ = b_k /2;   l_р – коэффициент, учитывающий рассеяние энергии индуктором в зависимости от индукции в стержне. При В = 1,2 Тл  l_р = 1,15 

13. Индуктивное сопротивление канала, Ом:

            X_L = 2×π×f×L = 2×3,14×50×4,22·×10^-7 = 1,32 ×10^-4 Ом

14. Полное сопротивление канала, Ом:

         Ом

15. Коэффициент индуктивной мощности канала:

         сosφ = R / Z = 2,3×10^-4 / 2,65 ×10^-4 = 0,86

16. Активное  напряжение в канале, В:

          В

     Полное  напряжение в канале, В:

            U_к = U_к.а / сosφ = 6,78 / 0,86= 7,88 В

17. Полная мощность индуктора:

        S_инд = Р_инд / сosφ = 200 / 0,86= 232,5 кВ×А.

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

        квар

19. Полная мощность печи :     

        S = N× S_инд = 2×232,5 = 465 кВ×А

20. Реактивная мощность печи :

        Q = Q_инд×N = 118,56×2 = 237,12 квар

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

Число витков катушки  индуктора. Выбираем трансформатор  со следующей характеристикой. Первичное  напряжение 10000 В, вторичное напряжение (11 ступеней): 245, 341, 416, 490, 555, 596, 640, 682, 725, 768, 810 В. Принимаем, что мощность индуктора 200 кВт будет при подаче на катушку напряжения 245 В, тогда

                                        n = U₁ / U_к =245 / 7,88 = 31 витка

     Принимаем 32 витка. Для уменьшения длины катушки принимаем навивку в два слоя по 16 витков в каждом слое.

21. Сила тока в катушке:

                 I₁ = S_инд / U₁ = 235,5×10³ / 245 = 961,22 A

22. Площадь поперечного сечения витка катушки, мм². Принимаем j₁ =10 А/мм² тогда

            F_вит = I₁ / j₁ = 961,22 / 10 = 96,12 мм²

23. Ширина b_вит и высота витка h_вит катушки. Для изготовления катушки выбираем медный провод прямоугольного сечения 3х8 мм. Число проводов в витке 576: (3х8) =24. С учётом изоляции принимаем b_вит = 34 мм, h_вит = 20 мм.
24. Длина катушки, мм:

                             l_кат = b_вит ×n / k_сл = 34×32 / 2 =544 мм

25. Ёмкость конденсаторной батареи индуктора (для компенсации сosφ):

                С = 10⁹× Q_инд / (2×π×f × U₁²) = 10⁹× 118,56 / (2×3,14×50 × 245²) = 6290,37 мкФ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

                  3. Описание работы выбранного плавильного агрегата 

     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 из футерованной ванны в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла, и находящейся под ванной индукционной единицы.

     Ванна сообщается с плавильным каналом, 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. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом, в который вставляется индуктор, навитый на стержень замкнутого магнитопровода.

     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 Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

ванне. Перегрев ограничивается некоторой допустимой величиной,  лимитирующей допускаемую мощность в канале.

     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 20 – 50 % 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  с относительно малой высотой  по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков;

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 мощности, 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. Сквозное однонаправленное движение металла через канал и ванну вместо симметричной циркуляции позволяет усилить тепло- и массообмен, уменьшить перегрев металла в каналах и за счет этого увеличить стойкость подового камня. Для обеспечения такого движения Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

металла были предложены различные технические решения [7]: винтовые канал с устьями,

выходящими  в ванну на разной высоте, что резко усиливает конвекцию; каналы переменного сечения, в которых имеется не только радиальная (обжимающая), но и осевая составляющая сил электродинамического взаимодействия тока в канале с собственным магнитным полем; дополнительный электромагнит для создания электродинамической силы, перемещающей металл вверх по центральному каналу сдвоенной индукционной единицы. Применение винтовых каналов и каналов переменного сечения на одноканальных единицах себя не оправдало. Использование дополнительного электромагнита связано с усложнением и удорожанием печи и потому нашло лишь ограниченное применение. Использование каналов с устьями переменного сечения на сдвоенных индукционных единицах дало положительный результат. В сдвоенной единице с различной формой центрального и боковых устьев обусловлено однонаправленное движение металла, особенно интенсивное при отсутствии фазового сдвига между магнитными потоками индукторов. Такие единицы применяются в практике и обеспечивают удвоение срока службы футеровки.