Расчет и проектирование индукционной канальной печи барабанного типа емкостью 10 тонн для выплавки чугуна

^{Министерство  образования науки  и спорта Украины} 

^{Донбасская  государственная  машиностроительная академия}

^{Кафедра ТОЛП}

^{РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА}

^{К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ}

^{По дисциплине «Печи литейных цехов»}

^{На  тему: «Расчет и проектирование  индукционной канальной печи барабанного типа}

  ^{емкостью 10 тонн для  выплавки чугуна»}

^{Выполнил:                                                                                            студент группы  ЛП08-т}

                                                                                                              ^{Хиневич Б.В.}

^{Проверил:                                                                                              старший преподаватель}

                                                                                                                ^{Лапченко А.В.}

^{Краматорск 2012г.}

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………………….3

1. Принцип действия индукционной  канальной печи………………………………………...4

1.1 Конструкции  основных элементов канальных  печей…………………………….…7

1.2 Кожух...............................................................................................................................7

1.3 Футеровка........................................................................................................................8

1.4 Магнитопровод...............................................................................................................9

1.5 Индуктор.........................................................................................................................9

1.6 Механизмы наклона.....................................................................................................10

1.7 Особенности канальных печей для плавки чугуна...................................................11

2. Расчёт основных параметров печи.........................................................................................12

3. Электрический расчет.............................................................................................................14

2.2  Проверочный  расчет...................................................................................................18

Заключение...................................................................................................................................20

Перечень ссылок..........................................................................................................................21

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

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

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

-технологическое  назначение (плавильные, нагревательные, сушильные);

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

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

-атмосфера,  создаваемая в печи;

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

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

-способ  утилизации теплоты газов после  окончания теплообмена с материалом.

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

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

1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНДУКЦИОННОЙ  КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ

Работа  индукционной канальной печи основана на использовании явления электромагнитной индукции. По устройству канальная печь напоминает конструкцию силового трансформатора: она имеет стальной расслоенный магнитопровод М, первичную обмотку — индуктор и вторичную обмотку в виде замкнутого канала, заполненного жидким металлом. На рис1.1, а изображена принципиальная схема однофазной канальной печи. Для уменьшения потока рассеяния целесообразно на одном стержне располагать и первичную, и вторичную обмотки (канал), как показано на рис. 3.5, б, в. Магнитопроводы могут быть выполнены как стержневыми, так и броневыми. Кольцевой канал выкладывается в огнеупорной футеровке так, чтобы он охватывал магнитопровод с первичной обмоткой.

В магнитопроводе наводится переменный магнитный поток Ф. Этот переменный поток по закону электромагнитной индукции наводит во вторичной обмотке переменную ЭДС и2. Ее действующее значение, В, равно:

Рис. 1.1. - Схемы однофазных индукционных канальных печей с открытым горизонтальным каналом.

а — принципиальная схема печи с сердечником; 6 —  схема печи со стержневым магнитопроводом; в — схема печи с броневым магнитопроводом.

Так как  канал с расплавленным металлом представляет собой короткозамкнутый виток, в нем возникает ток 2. При прохождении тока по металлу выделяется тепловая энергия, Дж, которая и разогревает металл:

Индукционная  канальная печь отличается от трансформатора следующими характерными чертами: совмещением вторичной обмотки с нагрузкой; наличием во вторичной обмотке только одного витка (канала); высотой канала, небольшой по сравнению с высотой индуктора;

Влиянием поверхностного эффекта, так как глубина проникновения тока соизмерима с толщиной канала; низким коэффициентом мощности печи удельным электрическим сопротивлением (меди, алюминия), а большее — с большим сопротивлением.

Для улучшения  соs φ параллельно индуктору печи присоединяют конденсаторную

батарею, реактивная мощность которой должна быть равна  реактивной мощности печи. Компенсация  естественного коэффициента мощности печи необходима для того, чтобы  не нагружать сеть (или понижающий силовой трансформатор) реактивным током, значения которого в несколько  раз превосходят активный ток.

Главными достоинствами канальных печей перед другими печами, предназначенными для этих же целей, являются: высокий КПД. В результате этого в канальных печах плавка металлов происходит с низким расходом электроэнергии. Например, на плавку латуни в канальной печи затрачивается 300—350 кВт-ч/т, а в печах сопротивления 400—450 кВт-ч/т; малый угар металла, так как здесь нет большого перегрева металла на поверхности ванны печи и сильного окисления металла; наличие электродинамического перемешивания металла в каналах печи, что позволяет получать однородный по химическому составу металл без применения каких-либо механических перемешиваний.

Но при  выборе типа печи необходимо считаться  и с недостатками канальных печей, главные из которых: необходимость непрерывного, круглосуточного режима работы; состоянии для поддержания температуры расплавленного металла в несливаемом остатке в ванне и канале печи во избежание «замораживания» печи; необходимость выплавки металлов и сплавов с однородным составом. В противном случае пришлось бы производить промывные плавки, что связано с излишней затратой электроэнергии и времени; малая стойкость огнеупорной футеровки канальной части для плавки высокотемпературных металлов и сплавов, так как температура металла в канале печи может превышать температуру в ванне печи на 50—200° С.

Рис. 2.8.  Индукционная канальная  печь (барабанного типа):

1- кожух; 2 –  механизм поворота; 3 – футеровка; 4 – индукционная

единица; 5- воздушное  охлаждение футеровки канальной  части;

6 – подвод  тока и воды к индукторам

Барабанного типа – плавильная камера выполнена в виде горизонтального цилиндра, т.е. ванна барабанной печи выполнена в виде цилиндра с горизонтальной осью. Индукционные единицы располагаются по обе стороны барабана. Может использоваться в качестве электромиксера или копильника жидкого металла для подогрева и выравнивания его температуры перед разливкой, когда объем отливки больше емкости плавильной печи, допускающих одновременно заливку и разливку металла;

Ванна  может  наклоняться  в  обе  стороны  вокруг  горизонтальной  оси. Можно  менять индукционные единицы без  полного слива металла. Работа индукционной канальной печи имеет ряд особенностей, не присущих печам других видов. При нагреве металла индуцированным током возникает интенсивное перемешивание металла в результате действия электродинамических сил, связанных со взаимодействием тока в жидком металле и тока в индукторе. На движение металла также влияют механические силы, возникающие от металлостатического давления и теплового эффекта. Усилия, вызывающие интенсивное перемешивание, практически отличить друг от друга трудно, но по причинам их появления можно выделить следующие эффекты.

Моторный (центробежный) эффект заключается в отталкивании жидкого металла от внутренней поверхности канала к наружной и появлении в результате этого поверхности зеркала расплавленного металла под некоторым углом к горизонту. Этот эффект имеет место в печах с открытым горизонтальным каналом. Наклон возникает от суммарного воздействия силы тяжести и электродинамической силы отталкивания. Так как металл в канале находится в жидком состоянии, его поверхность перпендикулярна результирующей силе. Моторный эффект в печах с закрытым каналом способствует циркуляции металла в плоскости поперечной оси канала, что увеличивает перемешивание металла.

Сжимающий эффект создает усилия, действующие на жидкий металл, от взаимодействия тока в канале с магнитным потоком, создаваемым этим же током. Эти усилия пропорциональны. Прекращение протекания тока в канале печи снимает усилия сжатия, металл вновь заполняет канал по всему сечению, и ток восстанавливается. Сжимающий эффект ограничивает удельную мощность печи. Усилиям сжатия могут противостоять металлостатические давления в ванне печи, например в печах с закрытым вертикальным каналом

Вихревой эффект наблюдается в индукционных печах с закрытым каналом переменного сечения. Под действием вихревого эффекта создается циркуляция металла вдоль оси канала из-за различной плотности тока в канале. В печах с открытым замкнутым каналом вихревой эффект не наблюдается.

Тепловой (или термический) эффект обусловлен разностью температуры металла в ванне и канале печи и, следовательно, разностью его плотностей. Поэтому в печах с вертикальным каналом менее нагретый металл в ванне печи опускается в нижнюю часть канала, а металл, перегретый в канале и имеющий меньшую плотность, чем металл в ванне печи, поднимается в ванну печи. В печах с закрытым горизонтальным каналом для увеличения перемешивания металла под воздействием теплового эффекта устья канала располагают на разной высоте, т. е. ось канала направлена как бы по винтовой линии или наклонно к горизонту под небольшим углом, как, например, в печах для плавки цинка и подогрева чугуна.

Печи  с открытым горизонтальным каналом  в силу своих недостатков (малая  удельная мощность, выделяемая в металле, низкий cosφ, наклон поверхности металла) были вытеснены печами с вертикальным закрытым каналом и печами с наклонными каналами

1.1 Конструкции основных элементов канальных печей

Индукционные  канальные печи имеют следующие основные узлы: кожух, футеровка ванны печи, индукционные единицы (магнитопровод, индуктор, канал), токоподводы, механизм наклона печи или механизм слива металла из печи, система охлаждения.

1.2 Кожух

В зависимости  от назначения печи кожух бывает различной формы: цилиндрической (с горизонтальной или вертикальной осью), прямоугольной и овальной — в зависимости от емкости металла, мощности, количества индукционных единиц, технологических особенностей выплавки металла или сплава.

Кожух обычно делится на две составные части: кожух ванны и кожух канальной части. Ванна предназначена для размещения основной массы металла, а также несливаемого остатка металла («болота»), а канальная часть — для размещения футерованного канала с расплавленным металлом, окружающим сердечник магнитопровода с индуктором. Кожух изготавливается из листовой стали толщиной 6—10 мм. Для увеличения механической прочности он имеет продольные и поперечные ребра жесткости. В кожухе ванны предусматривают боковые или торцевые дверцы для обслуживания печи во время плавки металла, а также верхние крышки для загрузки шихты. Массивные дверцы и крышки снабжаются механизмами поворота и раздвигания створок. Кожухи печей непрерывного действия устанавливаются неподвижно на фундаменте или имеют механизмы поворота печи для слива металла при работе печи в периодическом режиме. Сливной носок располагается либо в торце печи, либо вблизи оси наклона печи. Цапфы укрепляются в поперечном поясе жесткости и сочленяются с механизмами, осуществляющими поворот печи на угол 90—100°. Подшипниковые стойки прочно закрепляются в фундаменте печи. В кожухе предусматриваются проемы для присоединения индукционных канальных единиц, а также рабочая площадка, под которой обычно располагают крепление токоподводов и вентиляторов для продувки полости индуктора

В последнее  время почти все конструкции  индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами, присоединяемыми к кожуху ванны печи с помощью болтов и шпилек. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Отъемная индукционная единица состоит из следующих элементов, кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Кожух индукционной отъемной единицы выполняется из двух или трех отдельных частей, соединенных между собой через неэлектропроводные прокладки и болтовые соединения с изоляционными втулками. Это делается для того, чтобы в кожухе индукционной единицы не наводились вихревые токи от магнитного поля, образованного индуктором. Кожух может быть выполнен из чугуна, немагнитной стали, бронзы или алюминиевых сплавов, литым или сварным. Фланец кожуха крепится к фланцу приема ванны снизу или с боковых сторон таким образом, чтобы обеспечить возможность легкого доступа для монтажа и демонтажа магнитопровода и индуктора, а также системы вентиляции, водоохлаждения и токоподводов.

1.3 Футеровка

Футеровка канальной части выполняется  из набивных масс различного состава в зависимости от выплавляемого металла или сплава Составные части набивки размельчаются до фракций 0,5—1,0 мм (50—70%) и 1,0—2,0 мм (остальное).

Канал изготавливается  с помощью специальных шаблонов. Они могут быть деревянными, стальными из сваренных листов или изготовленными из расплавляемого металла. Способы извлечения шаблона из футеровки различны. Чаще всего шаблон расплавляется при сушке и первой плавке печи. Деревянные шаблоны выжигаются с помощью Заложенных в них нихромовых нагревателей.

Каналы  могут быть выполнены в виде кольца, в виде прямоугольных участков и полукольца или состоять только из прямоугольных участков, как в печах для плавки алюминия (для облегчения чистки каналов при их «зарастании»). Сечения каналов могут быть круглой, прямоугольной или овальной формы. Устья каналов обычно делаются несколько большего сечения, чем сечения самих каналов.

В качестве теплоизоляционного слоя между кожухом  индукционной единицы и набивной футеровочной массой используется асбестовый картон.

1.4 Магнитопровод

Магнитопровод выполняется из листов трансформаторной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм (холоднокатаная сталь). Для междулистовой изоляции применяется лак или производится форматирование. Магнитопровод делается разборной конструкции для удобства установки и демонтажа первичной катушки-индуктора. Во избежание искрения между листами сердечника и ярма ставятся прокладки из электроизоляционного картона или миканита. Ярмо крепится на сердечнике с помощью болтов и скоб. В целом магнитопровод крепится в кожухе индукционной единицы также с помощью болтов, пропущенных через отверстия специально предусмотренных полочек.

Индукционные  единицы выполняются как однофазными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или двумя каналами на один индуктор.

Обычно  магнитопровод шихтуется из листов прямоугольной формы. Листы стягиваются шпильками, вдетыми в изолирующие втулки из текстолита или бакелита. Стяжные болты и шпильки изготовляются из немагнитной стали или бронзы. Для увеличения жесткости пакета наружные листы выполняются из немагнитной стали толщиной 5—10 мм. Поперечное сечение ярма и сердечника делаются прямоугольным или квадратным, и только в случае больших индукций сечение сердечника выполняется крестообразным или многоступенчатым.

1.5 Индуктор

Для изготовления индуктора применяют либо обмоточные провода прямоугольного сечения (как для силовых трансформаторов), либо медные равноценные трубки для обеспечения водяного охлаждения круглого или прямоугольного сечения, либо же трубки специального профиля с утолщенной стороной, обращенной к каналу с металлом. Для индукционных единиц мощностью 100—250 кВт достаточным является воздушное охлаждение, а для более мощных индукционных единиц применяется водяное охлаждение. Допустимая плотность тока при воздушном охлаждении 2,5—4,0 А/мм², при водяном 10—15 А/мм². Обычно индукторы имеют однослойную обмотку, и только для печей, предназначенных для плавки алюминия, применяют иногда обмотку, состоящую из двух слоев.

Изоляция  витков индуктора осуществляется хлопчатобумажной лентой (либо стеклолентой) с обмоткой в два слоя, пропиткой и запеканием. В качестве изоляции применяются и прокладки из теплостойкого изолирующего материала. Форма поперечного сечения намотки витков индуктора, как правило, — окружность, но может быть квадратной и прямоугольной формы (печи для плавки алюминия). Витки индуктора наматываются на изолирующий цилиндр из листового асбеста, гетинакса, текстолита или бакелитизированной бумаги. Индуктор закрепляется на сердечнике с помощью деревянных клиньев и металлических скоб. Для мощных индукционных единиц применяют асбестоцементные цилиндры.

Между индуктором и футеровкой канала предусматривается воздушный зазор в 20—30 мм для охлаждения магнитопровода, индуктора и полости футеровки канала воздухом, поступающим от вентилятора. Если на печи установлено несколько индукционных единиц, то система воздухоохлаждения делается общей с подачей воздуха на каждую индукциойную единицу. Выводы индуктора выполняются из той же трубки или шины, из которых выполнен сам индуктор, и пропускаются в зазоре между индуктором и огнеупорной футеровкой канала или через деревянные клинья, расположенные между индуктором и сердечником.

Токоподводы выполняют из труб, шин или в виде медных гибких водоохлаждаемых кабелей из скрученных проволочек, помещенных в резинотканевый рукав. Во избежание опасного прикосновения токоподводы должны быть надежно ограждены. Для уменьшения потерь в токоподводе конденсаторную компенсирующую батарею устанавливают поблизости от печи (рядом с печью или под рабочей площадкой).

1.6 Механизмы для наклона печи и загрузки шихты

Для наклона  печей периодического действия при сливе металла применяют механизмы наклона. Печи малого объема и небольшой мощности обслуживаются тельферами с системой блоков или лебедками с ручным приводом. Печи с большим объемом металла имеют механизмы с гидравлическим или электромеханическим приводом. Ось поворота располагают или на линии, проходящей через центр тяжести, или у сливного носка; последнее более удобно, так как перемещение струи сливаемого металла при этом меньше и в процессе разлива металла не надо передвигать разливочный ковш. В настоящее время все большее распространение получают печи с гидравлическим приводом. Угол наклона составляет 60—100° при достижении максимального угла наклона автоматически происходит отключение механизма наклона или поворота печи с включением предупреждающей сигнализации.

В электропечах непрерывного действия слив металла  производится непрерывно путем вытягивания  слитка (миксеры для непрерывной  разливки) или вычерпывания металла, а также отсосом. Для этой цели предусматривается устройство механической загрузки шихты и автоматической откачки металла с помощью специальных черпаков или отсасывающих механизмов.

1.7 Особенности канальных печей для плавки чугуна

Канальные печи используются для плавки чугуна в качестве миксеров в дуплекс-процессе  с  вагранками,  дуговыми  и  индукционными тигельными  печами, позволяя повысить температуру, осуществить легирование и обеспечить однородность  чугуна  перед  разливкой.  Коэффициент  мощности  печей  для плавки чугуна – 0,6 – 0,8. Печи мощностью до 16 т – шахтные с одной или двумя съемными единицами, печи большей емкости – шахтные и барабанные, с числом съемных единиц от одной до четырех.

Существуют  специальные канальные раздаточные миксеры для обслуживания литейных конвейеров. Выдача дозированной порции из такого миксера производится либо с помощью наклона печи, либо вытеснением металла путем подачи сжатого газа в герметизированную печь. Канальные  миксеры  для  чугуна  имеют  сифонные  системы  заливки  и сливки металла; заливной и выпускной каналы выходят в ванну около ее дна, ниже зеркала расплава. Благодаря этому металл не загрязняется шлаком. Заливка и слив металла могут происходить одновременно.