Расчет ичт-10

ВВЕДЕНИЕ

 

Индукционной печью называется часть индукционной установки, включающая индуктор, каркас, камеру для плавки, а также механизмы наклона печи, вакуумную систему и т.п.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми  в непеременным полем индуктора. 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. Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. 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. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

В отличие от вагранок и дуговых  печей плавка в индукционных печах  является более эффективной. Плавка в индукционных печах, как правило, ведётся с загрузкой шихты  в жидкий металл, оставшийся после  предыдущей плавки. В связи с этим нагрев и расплавление шихты связаны  с растворением её компонентов в  жидком металле, которое сопровождается массопереносом между фазами и поглощение теплоты не только на нагрев, но и  на растворение.

Также в индукционных печах выгоднее использовать низкокремнистые шихтовые материалы, а содержание кремния  доводить до требуемого при помощи ферросплавов.

В данной работе выполняется расчёт тигельной индукционной печи для плавки чугуна, ёмкостью – 10 т. 

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

 

1.1 Индукционная тигельная печь

 

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.

1 – пакеты трансформаторной  стали, образующие внешний магнитопровод; 2 – изолирующие прокладки; 3 –  индуктор; 4 – нажимные болты a_м- высота пакета магнитопровода, м; a₁- высота индуктора, м; D_м- внутренний диаметр магнитопровода, м; D₁- внутренний диаметр индуктора, м. 

 

Рис. 1.1 Индукционная тигельная  печь с магнитопроводом

 

Индукционная плавильная тигельная  печь (рисунок 1.1) представляет собой цилиндрическую электромагнитную систему с многовитковым индуктором . Поскольку загрузка нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным элементом конструкции печи является тигель — сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают индукционные печи с непроводящими тиглем.

Индуктор и футеровка, основной частью которой является тигель, укрепляются  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 бо́льшее 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 умножителей 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 одинаково  их назначение. Разнообразие применения определяет и различие конструктивных форм.

 

 

 

         ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ ПЕЧИ

 

2.1 Конструкция печи

 

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 миксеры– ИЧКМ (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 1.1 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, токо- и водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас 1 печи 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 шихты в 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.

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 течении 10–15 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 (9 на рисунке 1.1) и крышки печи применяется жаропрочный бетон приведенного ниже состава (в кг на м³ бетона).

 

	Подина	Крышка
Жидкое стекло плотностью 1,36–1,37	350	300
Кремнефтористый натрий	18–20	18–20
Тонкомолотый магнезит	500	600
Шамот класса А (мелкий)	550	–
Шамот класса А (крупный)	800	–
Магнезитовый песок	–	600
Магнезитовый щебень	–	1150

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

 

ИЧТ – 10 с кислой футеровкой. К качеству футеровки тигля индукционной печи предъявляются высокие требования, т.к. она работает в неблагоприятных условиях: внутренняя поверхность обогревается горячим металлом с температурой 1400—1500°С, а наружная соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Операции футеровки печи должны проводиться с особой тщательностью, а все применяемые материалы должны соответствовать определенным требованиям.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ – ИЧТ – 10

 

Дано:

Емкость тигля – 10000 кг;

Длительность плавки τ_п= 3,4 ч; 

Длительность разливки и  загрузки τ_р= 0,68 ч;

Температура нагрева стали - 1400^°С;

Загрузка печи производится кусковой шихтой.

На рисунке 4.1 представлена схема тигельной печи.

 

1 – пакеты трансформаторной  стали, образующие внешний магнитопровод; 

2 – изолирующие прокладки; 

3 – индуктор;

4 – нажимные болты. 

D_м - внутренний диаметр магнитопровода, м;

D₁- внутренний диаметр индуктора, м.

Рисунок 4.1 – Схема тигельной  печи

 

4.1 Расчет тигля

 

Полный объем тигля, м³:

 

 

 

где - плотность жидкого чугуна, кг/м³.

 

 

 

Внутренний диаметр тигля  в сечении d₂, м:

 

 

 

где К₁ – коэффициент, представляющий собой отношение высоты расплава h₂ к диаметру тигля в среднем сечении d₂.

 

 

 

Или принять из диапазона

 

 

 

Принимаем К₁= 1,4.

 

 

 

Высота расплава в тигле, м:

 

 

 

 

 

Толщина футеровки в среднем  сечении тигля, м:

 

 

 

δ_т= 0,13∙1,107 =0,144 .

 

Принимаем  толщину выполняемой  из кварцита футеровки δ_т = 0,15 м.

 

Высота тигля с учетом мениска, условий загрузки шихты  и других факторов, м:

 

 

 

h_т =  1,3∙ 1,55= 2,015.

 

Внутренняя поверхность  тигля делается конусной, угол между  образующей и осью тигля устанавливается  равным 2…5⁰. Наружная поверхность тигля цилиндрическая  и имеет изоляционный слой из листового асбеста толщиной δ_и=0,005…0,015 м.

Для печи емкостью 10000 кг принимаем δ_и=0,01 м.

Наружный диаметр тигля (рисунок 4.1), м:

 

 

 

 

Внутренний диаметр индуктора (рисунок 4.1), м:

 

 

 

 

 

Расположение индуктора  по высоте тигля зависит от частоты  питающего тока.

Минимальная частота –  от внутреннего диаметра и агрегатного  состояния загружаемого в печь материала. При плавке кусковой шихты минимальная  частота определяется по формуле, Гц:

 

 

 

где ρ_ш – удельное сопротивление шихты, Ом·м;

d_ш – характерный поперечный размер среднего куска шихты, м; d_ш=0,2 м.

 

 

 

Частота питающего тока выбирается из стандартного ряда 50, 150, 250, 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10000 Гц. Принимаем частоту  питающего тока равной   f=50 Гц.

В печах промышленной частоты  верхний уровень индуктора устанавливают  ниже уровня металла для уменьшения мениска на поверхности жидкой ванны  и исключения выброса металла  из тигля из-за электродинамической  циркуляции.

В печах повышенной частоты  индуктор по отношению к загрузке (по высоте) располагается симметрично. Для выравнивания температурного поля в стенках тигля над рабочими витками индуктора устанавливают  «холостую» водоохлаждаемую катушку.

 Высота индуктора без  холостых витков, м:

 

 

 

 

 
Мощность  тепловых потерь печи, кВт:

 

 

 

где Р_С – мощность тепловых потерь через боковую поверхность тигля, кВт:

 

 

 

 где t_ВН – температура внутренней поверхности тигля. Принимается равной температуре жидкого чугуна (1400 ˚С);

t_Н – температура наружной поверхности тигля. Принимается равной температуре на границе между изоляцией и индуктором (50⁰С);

λ_Т – средняя теплопроводность набивной футеровки тигля (Вт/мˑ˚С).

 

 

 

 

 

h_CРт – средняя высота тигля, м;

 

 

 

 

 

λ_и – средняя теплопроводность асбестовой изоляции, ;

 

 

 

 

 

h_{СР и} – средняя высота изоляции, м;

 

 

 

 

 

Р_П – мощность тепловых потерь через подину тигля, кВт;

 

 

 

 

d_Т.ср – средний диаметр подины тигля, м;

 

 

 

 

 

 

 

t_B – температура окружающего воздуха (20⁰С);

Р_К – мощность тепловых потерь через крышку печи, кВт;

 

 

 

 

 

Р_ИЗЛ – мощность тепловых потерь излучением с зеркала ванны через крышку тигля, кВт;

 

 

 

где с – коэффициент  излучения абсолютно черного  тела,

с=5,77;

F_ОК – площадь открытого окна.  Для круглой крышки тигля, м².

 

 

 

 

 

Ф – коэффициент диафрагмирования, принимаем Ф=0,9 [6,41].

 

 

 

При расчете суммарных  потерь коэффициент неучтенных потерь принимают равным =1,1…1,2. Принимаем

 

 

 

Полезная мощность печи, кВт:

 

 

 

где М_С – масса единовременного слива металла. При загрузке печи твёрдой шихтой в тмгле оставляют часть жидкого металла для улучшения начального прогрева шихты (остаточная ёмкость или болото). Относительная остаточная ёмкость при плавке малогабаритной шихты составляет [7].

Принимаем .

 

 

 

 

 

с_Ш – средняя удельная теплоемкость шихты в интервале температур от    начальной температуры шихты до температуры плавления (для чугуна );

 

с_Ш=0,71;

 

с_Ж – средняя удельная теплоемкость расплава в интервале температур   от температуры плавления до температуры перегрева чугуна ;

 

с_Ж=0,83; 

q_пл  – теплота плавления шихты. Для чугуна q_пл=230 кДж/кг,

 

 

 

 

Активная мощность, потребляемая загрузкой, кВт:

 

 

 

 

 

Тепловой КПД печи:

 

 

 

 

 

Удельная мощность проектируемой  печи, :

 

 

 

где η_Э – электрический КПД печи.

При плавке чугуна η_Э =0,7…0,8. Принимаем η_Э =0,8

 

 

 

Полученное значение Р_У сравниваем с предельным значением удельной мощности Р_УП, которое можно рассчитать по формуле, :

 

 

 

 

 

Полученное значение Р_У не превышает Р_УП, поэтому расчет выполнен правильно.

 

4.2 Электрический расчет печи

 

Глубина проникновения тока в металл индуктора, м:

где - удельное сопротивление меди, из которой изготовлен индуктор. Удельное сопротивление меди в пределах 20…150 ˚С меняется линейно от 1,68∙10^-8 до 2,75∙10^-8. В расчёте индуктора принимают температуру меди равной 60…70 ˚С. Тогда =2∙10^-8:

 

 

 

 

 

Глубина проникновения тока в материал загрузки, м:

 

 

 

где - удельное сопротивление загрузки; Ом∙м;

- относительная магнитная  проницаемость загрузки. Принимается  равной bГн/м:

 

 

Относительный радиус загрузки:

 

 

 

 

 

Активное сопротивление  индуктора при условии, что толщина  внутренней стенки трубки индуктора  b₁≥Δ₁.

 

 

 

где К_з – коэффициент заполнения индуктора, равный отношению высоты витка без изоляции к шагу навивки. Принимается К_з= 0,75…0,9.

Принимаем К_з = 0,8.

 

 

 

Активное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

где A=f(R₂) – вспомогательная функция. Если R₂ больше 6, функция определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

Внутреннее реактивное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

где - сдвиг фаз между напряженностями электрического и магнитного полей в металле индуктора. При b>1,5  =1:

 

 

 

Внутреннее реактивное сопротивление загрузки, Ом:

 

 

 

где В=f(R₂) – вспомогательная функция. Принимаем В=0,05:

 

 

 

Реактивное сопротивление  рассеивания, Ом:

 

 

 

где - круговая частота тока, рад/с:

 

 

 

 

 

 

 

Реактивное сопротивление  пустого индуктора, Ом:

 

 

 

где К – поправочный  коэффициент, учитывающий концевые эффекты короткого индуктора.  К=0,7:

 

 

 

Реактивное сопротивление  обратного замыкания, Ом:

 

 

 

 

 

Коэффициент приведения параметров загрузки к цепи индуктора:

 

 

 

 

 

Приведенное активное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

 

 

Приведенное реактивное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

 

 

Эквивалентное активное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

 

 

Эквивалентное реактивное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

 

Электрический КПД индуктора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Активная мощность индуктора, кВт:

 

 

 

 

 

По активной мощности индуктора  и частоте тока выбирается источник питания, причем его мощность должна быть больше на 5…10%, поскольку он должен покрывать потери в токопроводах и конденсаторах.

 

Число витков индуктора:

 

 

 

где U₁ – напряжение на индукторе. Выбирается в пределах 750…3000В.

Принимаем U₁=750В:

 

 

 

Толщина изоляции между витками  индуктора, м:

 

 

 

где - допустимый перепад напряжения на высоте индуктора.

=(10…40)10³ В/м. принимаем =40∙10³ В/м:

 

 

 

Ориентировочная высота индуктирующего витка, м:

 

 

 

 

 

По сортименту выпускаемых  промышленностью трубок выбираем трубку прямоугольного сечения с размером 40×45 мм с толщиной стенки 7 мм.

Соответственно поперечное сечение канала охлаждения, м²:

 

 

 

Таким образом, фактическая  высота витка индуктора  h_в = 0,034 м.

Уточняем высоту индуктора, м:

 

 

 

 

 

Активное сопротивление  системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

 Реактивное сопротивление системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

Полное сопротивление  системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

Ток индуктора, А:

 

 

 

Линейная плотность тока в индукторе, А/м:

 

 

 

Плотность тока по сечению  трубки индуктора, :

 

 

 

 

Емкость конденсаторной батареи, мкФ:

 

 

 

где - реактивная мощность индуктора, кВар:

 

 

 

 

 

Потребное количество конденсаторов, шт.:

 

 

 

 
        _{4.3 Расчет магнитопровода}