Расчёт электротехнологической установки

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Nский государственный университет»

Электромеханический факультет

 

 

 

 

 

 

 

Расчётно – графическая работа по курсу

«Приёмники и потребители электрической энергии»

на тему:

Расчёт электротехнологической установки

 

 

 

 

                                      

 

                                                                          

 

Выполнил:                                                                          студент гр. №

Петров Г.Г.

 

Проверил:

Преподаватель Базаров Н.А.

 

 

 

 

 

 

 

2013

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

Стр.

     
 

Эссе.

Принцип работы индукционной канальной и тигельной печи.....

3

1.1.

Введение…………………………………………………………….

3

1.2.

Виды индукционных установок…………………………………...

3

1.3.

Установка индукционная с сердечником

(индукционная канальная  печь)…………………………………...

4

1.4.

Установка индукционная без сердечника

(индукционная тигельная  печь)…………………………………...

10

2.

Расчёт параметров индукционной  канальной нагревательной печи………………………………………………………………….

12

3.

Список использованной литературы……………………………...

17


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Принцип работы индукционной канальной и тигельной печи.

 

1.1. Введение

 

 Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это - первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла.

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это - второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла.

В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это - третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца—Джоуля.

 

1.2. Виды индукционных установок

 

Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:

1) передать электрическую энергию  индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в  отличие от печей сопротивления)

2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми "печами с внешним источником нагрева").

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником (индукционная канальная печь) и без сердечника (индукционная тигельная печь).

 

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:

1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно  или через понижающие трансформаторы;

2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;

3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от  ламповых электронных генераторов.

 

1.3. Установка индукционного нагрева с сердечником

(индукционная канальная печь)

 

В индукционной канальной плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл.

 

                            

 

                  Рисунок 1. Схема устройства индукционной канальной печи:

1 — индуктор; 2 — металл; 3 — канал; 4 — магнитопровод; Ф — основной магнитный поток; Ф1р и Ф2р — магнитные потоки рассеяния; U1 и I1 — напряжение и ток в цепи индуктора; I2 — ток проводимости в металле

 

Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).

 В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).                           

 

Канальные печи или печи с железным сердечником используют в литейном производстве, в основном в качестве миксеров и раздаточных печей для черных и цветных сплавов. При производстве ковкого чугуна канальные печи применяют для перегрева до 1550° С чугуна, выплавленного в вагранках. Канальные печи используют также для плавки цинка, меди и их сплавов.

       Индукционная канальная печь состоит из следующих основных узлов (рис.2): из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной индукционной единицы. Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом.  Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.

 

 

                                     

 

                               Рисунок 2. Конструкция плавильной  печи

 

  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.

  Каркас печи должен быть достаточно прочным и жестким. Его изготовляют из низкоуглеродистой стали (0,1% С) толщиной 30—70 мм. В нижней части каркаса имеются окна с фланцами, к которым присоединяют индукционные единицы.

Футеровка. Продолжительность работы печи до очередного ремонта зависит практически только от состояния ее футеровки. В зависимости от назначения печи для этой цели применяют различные огнеупорные материалы. Печь футерована огнеупорами нескольких марок. Внутренний слой футеровки, соприкасающийся с жидким металлом, находится в наиболее тяжелых условиях: подвержен большим механическим нагрузкам и химическим и тепловым воздействиям. Внутренний слой футеровки печи должен иметь высокую огнеупорность, шлакоустойчивость и термостойкость. Внутренний слой выполнен из фасонных изделий высокой прочности на сжатие и минимальной пористости. Для обеспечения кладки с минимальной толщиной шва фасонные изделия должны иметь гладкие поверхности и точные размеры.

 Фасонные изделия для внутреннего слоя изготовляют из высокоглиноземистого огнеупора с 90% AI2O3. Для следующего слоя футеровки применяют огнеупор с 60% AI2O3, для третьего слоя - обычный шамотный огнеупор, для теплоизоляционного слоя - асбестовые плиты, укладываемые по всей внутренней поверхности каркаса печи. Отдельные элементы футеровки печи выполнены из огнеупорной массы набивкой (трамбовкой), заливочный и сливной желоба - из огнеупорной массы МКЭ-78. Массу приготовляют из титанистого электрокорунда и высокоглиноземистого шамота: не менее 78% А12О3 и не более 1,2% F2O3.

 Связующим является ортофосфорная  кислота. Температура применения  до 1600° С.

Индукционные единицы. Каждая единица состоит из стального корпуса, футеровки, магнитопровода и первичной катушки. Корпус единицы не должен образовывать замкнутый контур вокруг магнитопровода, иначе в нем будет индуцироваться вихревой ток. Из этих соображений корпус выполняют разъемным, и отдельные его части изолируют друг от друга прокладками.

 Индукционную единицу футеруют  из огнеупорного бетона или набивной массы. Огнеупорный бетон применяют при сложном профиле индукционной единицы или когда набивкой не удается достигнуть нужного уплотнения массы по всему объему. Огнеупорным бетоном заливают полностью собранную индукционную единицу. Бетон по всему объему единицы уплотняют электрическими вибраторами.

Магнитопровод индукционной единицы собирают из отдельных пластин трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов отдельные пластины изолированы друг от друга. Размеры поперечного сечения стержня магнитопровода, т. е. той его части, на которую надевают первичную катушку, обеспечивают минимальный зазор между магнитопроводом и катушкой. После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Стяжные планки, шпильки, болты изолируют от пластин магнитопровода электрокартоном для предотвращения образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода.

На рис.3 показана съемная индукционная единица, присоединяемая к каркасу печи с помощью болтов. Данная индукционная единица имеет две катушки и два магнитопровода. Вокруг каждой катушки имеется свой канал, заполняемый жидким металлом. Участки каналов между катушками соединены в общий канал большого сечения с расширяющимся входом и выходом. Катушки присоединяют к сети с помощью шин. Каждая из катушек отделена, от футеровки водоохлаждаемым экраном из немагнитной стали. К корпусу индукционной единицы приварены два штыря, используемые при транспортировке и монтаже единицы.

                                     

Рисунок 3  - Индукционная единица канальной печи

1—вентилятор для охлаждения  катушки; 2—магнитопровод;                                          3—штырь; 4—канал; 5 — футеровка; 6—экран; 7—катушка;                                           8—корпус; 9—рама; 10 – вывод

 

Механизм наклона печи. В зависимости от типа печи применяют или гидравлический привод, включающий насосную станцию и гидроцилиндр, или электромеханический привод, состоящий из электродвигателя, редуктора и цепной передачи. В обоих случаях механизм обеспечивает плавный наклон печи.

 Электрооборудование печи. В  комплект печной установки входит  трансформатор, конденсаторная батарея, щиты управления и питающие  кабели. Трансформатор печи подключают  к сети с напряжением 6—10 кВ. На  вторичной стороне трансформатора предусмотрено до 10 ступеней напряжения для регулирования мощности печи.

Принцип действия канальной печи состоит в том, что переменный магнитный поток Ф пронизывает замкнутый контур, представляющий собой кольцо из жидкого металла, и индуктирует в этом кольце ЭДС. Электрический ток I2 проходит по жидкому металлу, разогревая его. Переменный магнитный поток создается первичной катушкой, в которой течет ток I1; и которую подключают к сети переменного. тока промышленной частоты (50 Гц), напряжение U1. Для усиления магнитного потока, создаваемого катушкой, применяют замкнутый магнитопровод из трансформаторной стали с  = 1500-2000 (рис. 4).

 

                                    

          Рисунок 4. Принципиальная схема индукционной канальной печи:

             1- ванна печи; 2- канал; 3- магнитопровод; 4-первичная катушка

 

Кольцо жидкого металла окружено со всех сторон огнеупорным материалом, заключенным в стальной корпус. Пространство в огнеупорном материале, которое заполняется жидким металлом, имеет форму изогнутого канала. Наличие канала является характерной особенностью печей этого типа. Рабочее пространство печи соединено с каналом двумя отверстиями, поэтому при ее заполнении жидким металлом образуется замкнутый контур. Если в печи нет металла или его недостаточно для образования замкнутого контура, то она работать не может. В этом случае при подаче напряжения на первичную катушку в канале, являющемся вторичной катушкой, создаются вихревое электрическое поле и соответствующая ЭДС. Однако из-за того, что в канале нет металла, его электрическое сопротивление велико и ток в нем не протекает. При разомкнутом вторичном контуре в первичной катушке протекает ток небольшой силы, необходимый для намагничивания магнитопровода и называемый током холостого хода. ЭДС, создаваемая в канале, в W раз меньше напряжения, подводимого к первичной катушке (W — число витков катушки). Сила тока, протекающего по каналу при определенной ЭДС, зависит от полного сопротивления канала, равного геометрической сумме активного и реактивного сопротивлений канала.

При протекании тока вокруг канала создается магнитное поле. Чем больше мощность этого поля, тем больше реактивная мощность печи и тем меньше cos. Направление магнитного потока поля канала противоположно направлению магнитного потока магнитопровода. Для уменьшения размагничивающего влияния магнитного потока канала на магнитный поток магнитопровода канал располагают вокруг той части магнитопровода, на которой находится первичная катушка. Расстояние от канала до катушки выбирают минимальным для уменьшения магнитного поля канала.

 Температура металла в канале  на 100-150° С температуры металла  в ванне печи, поэтому горячий  металл из канала поднимается  в ванну, а из нее в канал  поступает более холодный металл. Жидкий металл в печи движется и вследствие воздействия магнитного поля. Электродинамические силы стремятся сжать и вытолкнуть металл, из канала. Чем больше индуцированный ток, тем большая электродинамическая сила воздействует на металл. При небольшом уровне металла в ванне может произойти его сжатие, при этом столб металла в канале разрывается, а металл из него выталкивается. Печь отключается из-за разрыва электрического контура, создаваемого жидким металлом в канале.

 В канальных печах всегда должно находиться определенное количество жидкого металла. Это количество определяют исходя из того, чтобы масса столба жидкого металла над каналом превышала электродинамическую силу, выталкивающую металл из канала.

 В канальных печах могут  быть ванны различных форм. Металл выдают из печи поворотом или наклоном ванны, а в некоторых случаях созданием избыточного давления газа над уровнем металла в ванне. Для этого печь выполняют герметичной, и в нее подают воздух или инертный газ. Под давлением газа уровень металла в ванне снижается, и нужное его количество вытекает из печи по сифонному желобу.

Достоинства и недостатки 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 усилия-ми. 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.

 

В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата.

 

1.4. Установка индукционного нагрева без сердечника

(индукционная тигельная  печь)

 

В индукционной плавильной печи без сердечника (рис. 5) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. Индуктор изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду.

Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.

В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).

 

                                          

Рисунок 5 .  Конструкция устройства индукционной тигельной печи:

  1 — индуктор; 2 — металл; 3 — тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)

Преимуществами тигельных печей являются: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда.

Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).

 

Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.

 

 

2. Расчёт параметров  индукционной  канальной нагревательной  печи

 

                                               Вариант № 2

 

Задание

1. Рассчитать параметры канальной индукционной нагревательной печи для следующих исходных данных:

 

Данные:

металл

Сталь

S, см2

550

Rср, м

0,6

E2, В

1,5

2, град

42

,  мкОм*м

0,11

*103,1/К

0,66

60

tпл ,°С

1350

, кГц

1


 

Здесь: S - площадь поперечного сечения расплавленного металла при номинальной загрузке индукционной печи;  - средний радиус канала печи; E2 - индуцированная в кольце металла ЭДС;  2 - угол между векторами тока и ЭДС в процессе плавки принять постоянным; , , , tпл – характеристики металла (удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, относительная магнитная проницаемость, температура плавления; f – частота источника питания установки.

Примечание. При температурах  t = 770 °С и выше - относительная магнитная проницаемость стали .

 

При выполнении задания:

- определить мощность Р2, расходуемую на нагрев металла в начале расплавления, когда "болото" имеет площадь поперечного сечения 0,1 • S и температуру t= 500 °С  и в конце расплавления;

- рассчитать и построить  график  проникновения электромагнитной волны в металл при индукционном нагреве от температуры 20°С до температуры плавления tпл. Расчет глубины проникновения волны произвести для температур 20, 100, 200 ... ( tпл).

 

 

 

 

 

Решение:

 

Расчет мощностей.

 

Найдем активное сопротивление металла по формуле:

,

где r=r20 – удельное сопротивление металла при Т=20°С;

= 2´3,14´0,6 = 3,77 м - средняя длина витка;

Sн = 0,1 S=55 см2 =55´10-4 м2 – площадь поперечного сечения «болота»

Тогда для начального этапа:

=7,54´10-5 Ом.

Активное напряжение в канале:

=1,5´cos(42)=1,12 В

Ток в канале на начальном этапе:

= 1,48´104 А.

Сопротивление и ток в канале для конечного этапа:

=7,53´10-6 Ом

= 1,48´105 А

Для вычисления количества теплоты, необходимой для нагрева металла от 20°С до 500°С, и для дальнейшего нагрева до температуры плавления находим массу стали по формуле:

,

где плотность стали rv принимаем равной 7850 кг/м3,

 

V – объем, для начальной стадии нагрева Vн=0.1´S´Lср=0,1´550´10-4´3,77=2,07´10-2 м3, для конечной стадии Vк = S´Lср = 2,07´10-1 м3.

Тогда:

mн= 7850´2,07´10-2 = 163 кг

mк= 7850´2,07´10-1 = 1628 кг.

Теплоемкость стали равна С=0.110 ккал/(кг´К), удельная теплота плавления λ=20 ккал/кг.

Рассчитываем количество теплоты, переданной металлу на начальном этапе:

=0.110´163´(500-20)=8600 ккал = 3,6´107 Дж.

Это количество теплоты должно быть передано металлу посредством индукционного нагрева, и выражается формулой (с учетом КПД печи h, который приняли равным 0.8):

,

где t - длительность нагрева.

Выражаем длительность нагрева:

=2740 с = 0,76 ч.

Тогда мощность P2, расходуемая на нагрев металла в начале расплавления:

=13,2 кВт.

Рассчитываем количество теплоты, переданной металлу на конечном этапе (она складывается из теплоты нагрева и теплоты перехода в жидкое состояние):

=0,110´1628´(1350-500)+20´1628=184739,3 ккал = 7,75´108 Дж.

Находим длительность нагрева:

= 5885 с = 1,63 ч.

Тогда мощность P, расходуемая на нагрев металла от 500 до его расплавления:

=132 кВт.

 Расчет глубины проникновения  электромагнитной волны в металл  в зависимости от температуры.

Глубина проникновения электромагнитной волны в металл определяется по формуле:

.

Температуная зависимость ∆ определяется зависимостью удельного сопротивления от температуры r(t) и зависимостью от температуры относительной магнитной проницаемости m(t).