Индукционные канальные печи. 2

Министерство науки  и образования РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО ЗабГУ)

Энергетический факультет

Кафедра «Электроэнергетики и электротехники»

(ЭиЭТ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: Индукционные канальные печи

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ЭП-07

Иванов В.А

Проверил: Дейс Д.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чита 2011

 

Содержание.

 

 

Индукционные канальные  печи.

Общие сведения.

В индукционных печах  и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.

Индукционный нагрев металлов основан  на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца.  Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой  напряженности и частоты, которые  создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.

Простейший индуктор устройств косвенного индукционного  нагрева низкой частоты - изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).

 

Преимущества  индукционного нагрева

1) Передача электрической  энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической  энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.

3) Благодаря явлению  поверхностного эффекта максимальная  мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев  в большинстве случаев позволяет  повысить производительность и  улучшить условия труда.

Индукционные канальные печи

 

Канальные печи или, как их называют, печи с железным сердечником используют 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: каркаса, футеровки, индукционных единиц, механизма наклона и электрооборудования.

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.

Мапнитопровод 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.1 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.

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

Рисунок 1 - Индукционная единица канальной печи

 

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. Техническая характеристика некоторых индукционных канальных печей дана в табл. 1.

 

 

 

 

Таблица 1

Индукционные канальные  печи

Печь	Емкость, т	Мощность, кВт	Производительность, т/ч	Примечание
ИЛК-1. ИЛК-1,6 ИЛК-2,5 ИЛК-6 ИЛК-12	1 1,6 2,5 6 12	250 750 750 1350 2000	1,25 3,75 3,5 6,7 10	Для плавки меди и сплавов на медной основе (латуней, бронз)
ИЛКМ-2,5 ИЛКМ-6	2,5   6	250   155	6,8 7,65	В качестве миксеров для меди и  сплавов на медной основе
ИЦК-25 ИЦК-40	25 40	200/500 850	2-5 8,5	Для плавки цинка
ИАК-0,4 ИАК-1 ИАК-16 ИАК-16	0,4 1 6 16	125 250 750 1500	0,25 0,52 1,1 1,7	Для плавки алюминия и его сплавов

Принцип работы индукционных канальных  печей

 

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. 2).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2- 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.

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.

 

 

Расчет индукционной канальной печи.

 

Исходные данные для  расчета печи: назначение, режим  работы, производительность, температура  перегрева, свойства расплавляемого металла, напряжение и частота питающего  тока.

Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу,

Рпол qтеор

где qтеор -теоретический  удельный расход энергии на перегрев металла на 1 С, — температура перегрева металла, °С.

Активная мощность печи, кВт,

,

где -термический КПД печи, равный 0,85—0,95.

3. Активная мощность индукционной единицы, кВт,

 

где N — число индукционных единиц на печи.

Глубина проникновения  тока в жидкий металл, м,

5. Форма поперечного сечения канала.

Поперечное сечение  канала может быть круглым, эллипсоидальными прямоугольным с закругленными углами, причем большая ось эллипса или прямоугольника расположена параллельно оси первичной катушки. Размер канала в плоскости, перпендикулярной оси катушки, называют шириной канала bк , а в плоскости, параллельной оси катушки,- высотой канала hK. 
Ширина канала при плавке чугуна 60-120 мм. Высота канала в 1,5-3 раза больше его ширины.

Сечение магнитопровода, см2,

S

где отношение массы стали магнитопровода к массе меди первичной катушки: 5-25 при воздушном принудительном охлаждении катушки, 0,9—1,3 при водяном; В — магнитная индукция в магнитопроводе, Т; j -допустимая плотность тока в катушке, А/мм2: 4 при воздушном охлаждении и 20 при водяном; cos — коэффициент мощности индукционной единицы (для предварительных расчетов 0,6-0,75 для чугуна и 0,4-0,5 для алюминия).

Диаметр сердечника магнитопровода, мм,

,

где kd-коэффициент заполнения окружности сердечником (0,78-0,88)

Наружный диаметр первичной  катушки, мм,

dкат=dмг+2sкат,

где sкат- толщина катушки, зависящая от числа рядов намотки  и равная 20-50 мм.

Внутренний диаметр  канала, мм,

dк.в.= dкат+2s1+2s2,

где s1- толщина футеровки  между каналом и катушкой, мм: 70-120 при плавке алюминия,135-180 чугуна, 65-70 сплавов на медной основе и цинка ; s2- зазор между катушкой и футеровкой, равный 10-15 мм.

Средний диаметр канала

dк.ср= dк.в+bк,

11. Длина канала. Построив  по полученный данным эскиз  индукционной единицы, находим  длину канала. Под длиной канала  подразумевается длина замкнутого контура, проходящего как по самому каналу, так и по ванне печи.

12. Активное сопротивление канала, Ом,

R=

13. Индуктивность канала  определяется как сумма внешней  и внутренней индуктивностей  отдельных его участков. Внешнюю  индуктивность определяют для  пространства, заключенного между  каналом и первичной катушки.  Внешняя индуктивность какого- либо участка, Г,

-10-7,

Где lk-1- Длина данного  участка канала, м; R1- расстояние от оси канала до катушки или противоположного участка канала, м ; R2- расстояние от оси канала до поверхности канала, т. е. R2= bк/2.

Внутреннюю индуктивность  определяют для пространства, занимаемого самим каналом, Г,

Lк.в= .

14. Индуктивное сопротивление  канала, Ом,

15. Полное сопротивление  канала

16. Активное сопротивление  в канале, В,

Uа.к=

Угол cos канала

cos = .

Полное напряжение в  канале, В,

.

Полная мощность индукционной единицы, к . Пренебрегая потерями в первичной катушке и магнитопроводе,

Реактивная мощность индукционной единицы, квар,

Полная мощность печи, к ,

Р=NP

Реактивная мощность печи, квар,

Рр=NP

Число витков первичной  катушки

W= ,

Где U1- напряжение, подаваемое на первичную катушку и зависящее от выбранного типа трансформатора, В.

Ток в первичной катушке, А,

.

Поперечное сечение  витка первичной катушки, мм2,

Sвит= ,

Где j1- допустимая мощность тока в катушке.

Ширина витка катушки, мм,

bвит ,

глубина проникновения тока в катушку, мм.

Высота витка катушки

h = .

Длина первичной катушки

,

Где h -толщина изоляции между витками; kсл – число слоев витков в катушке.

 

2.1 Пример расчета индукционной канальной печи.

 

Рассчитать индукционную канальную печь для перегрева чугуна:

назначение печи —  перегрев жидкого чугуна;

температура перегрева 100°  С;

производительность печи 40 т/ч;

температура чугуна, заливаемого  в печь, 1400°С;

напряжение питающей сети 6000 В;

частота питающей сети 50 Гц.

1. Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу:

= 0,23кВт-ч/т ,

Р = tП= = 920 кВт.

Активная мощность печи. Принимаем  =, тогда,

Ра= .

3. Активная мощность  индукционной единицы.

.

4. Глубина проникновения  тока в жидкий металл

м.

5. Форма поперечного сечения канала. Примем канал прямоугольной формы, ширина которого равна глубине проникновения тока в жидкий металл, а высота в 1,5 раза больше его ширины, т. е. bк = =76 мм, hк=l,5 bк = 114 мм. Радиус закруглений в углах канала примем 20 мм, тогда площадь поперечного сечения канала

Sк=bкhк- 0,86r2=0,07 м2

6. Сечение магнитопровода. Принимаем =10, B=l,5 T,j1 =2 А/мм2, 
cos =0,75, тогда

S см2,

7.  Диаметр сердечника магиитопровода. Принимая kd=0,85, получим

d мм.

8.  Наружный диаметр первичной катушки. Принимаем толщину катушки35 мм, тогда

d мм.

9.  Внутренний диаметр канала. Принимая толщину футеровки 135 мм и зазор между катушкой и футеровкой 15 мм, получим

d мм.

10. Средний диаметр  канала

d мм.

11. Длина канала. Вначале  делаем эскиз канала (рис. 51). Длину канала определяем по длине его средней линии. По длине канал состоит из четырех участков: одного криволинейного длиной 1234 мм, двух вертикальных каждый длиной 393 мм и одного горизонтального длиной 786 мм, т. е.

= 1234 + + 786 = 2806 мм.

12. Активное сопротивление канала

R Ом.

13. Индуктивность канала. Для принятой формы канала (см. рис. 3) внешняя индуктивность его отдельных участков различна (рис.4).

Внешняя индуктивность  криволинейного участка R1=188 мм, R2=38 мм, мм (рис. 4,поз. 1), тогда

L Г.

 

 

Рисунок 3 - К расчету размеров индукционной единицы канальной печи

 

Найдем внешнюю индуктивность  вертикального участка длиной 205 мм (рис. 4, поз. 2 и 5). На этом участке R1 изменится  от 188 до 393 мм. Примем R1=(188+393) :2=290,5 мм, R2=38 мм, тогда

L Г.

Найдем внешнюю индуктивность  вертикального участка длиной 150 мм. Примем R1=748 мм, R2=0,038 мм, мм (рис. 4, поз. 3 и 4), тогда

Г.

Найдем внешнюю индуктивность  горизонтального участка (рис. 4, поз. 6) На этом участке R1 изменяется от 188 до 728 мм. Примем R1 = (188+728):2=458 мм, R2=0,038 мм, =710 мм, тогда

Г.

Учитывая все участки  канала, внешняя его индуктивность

 Внутренняя индуктивность канала

Г.

Индуктивность канала

Г.

14. Индуктивное сопротивление  канала

Ом.

 

Рисунок 4 - К расчету  индуктивности канала

 

15. Полное сопротивление канала

Ом.

16. Активное напряжение в канале

 В.

17. Cos канала

18. Полное напряжение  в канале

В.

19.Полная мощность  индукционной единицы

20. Реактивная мощность индукционной единицы

 квар.

21. Полная мощность  печи 

Р = NPинд = = 1462 .

22. Реактивная мощность печи

Рр = NPр.инд = = 984 квар.

23.Число витков первичной  катушки.

Выбираем трансформатор  со следующей характеристикой: первичное  напряжение 6000 В, вторичное напряжение (11 ступеней) 333, 469, 575, 666, 742, 802, 863, 939, 999, 1045 и 1090 В. Принимаем, что мощность индукционной единицы будет 541 кВт при подключении ко вторичной ступени напряжением 939 В. При этих условиях

 витков.

Примем W=46 витков.

24. Ток в первичной катушке

A.

25. Поперечное сечение  витка первичной катушки. Принимаем,  что допустимая плотность тока  в катушке 2 А/мм2, тогда

 мм2.

26. Ширина витка катушки.

Наименьшая ширина витка  из меди ( мм)

мм.

Принимаем bвит=16 мм.

27. Высота витка катушки

мм.

Длина первичной катушки.

Для уменьшения длины  катушки принимаем навивку в два слоя и толщину изоляции 1,5 мм, тода

мм.

 

Заключение

 

Печи индукционные канальные  по принципу действия основаны на использовании  тока короткого замыкания. Трансформатор  индукционной единицы выполнен так, что петля жидкого металла, является короткозамкнутой обмоткой, разогревающейся при пропускании тока. Во избежание разрыва цепи вторичной обмотки в печи постоянно должно находиться некоторое количество металла («болото»). Мощность индукционной единицы ограничивается огнеупорностью футеровки, поэтому для печей большой вместимости приходится устанавливать несколько таких единиц. Индукционно канальные печи более совершенны, чем индукционно тигельные печи: у них более высокий КПД, поэтому меньше расход энергии и, следовательно, требуется меньше конденсаторных батарей.