Проект индукционной тигельной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и молодежной политики

Свердловской области

Уральский государственный колледж имени И.И. Ползунова

ПРОЕКТ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Пояснительная записка

Руководитель З.Н. Рамазанова

Разработал К.С. Алексеенко

Верхняя Пышма 2020



Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование проекта

2. Теоретические основы процесса

3. Технологическая часть

3.1 Материальный баланс

3.2 Тепловой баланс

3.3 Расчет и выбор основного, вспомогательного оборудования

4. Технический контроль

5. Автоматизация процесса

6. Охрана труда

6.1 Основные вредности производства

6.2 Пожаробезопасность

6.3 Электробезопасность

7. Охрана окружающей среды

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б



Введение

Объектом исследования данного проекта является устройство и принцип работы индукционной тигельной печи.

Цель курсового проекта - освоить и закрепить знания по дисциплинам специальности «Металлургия цветных металлов».

Согласно поставленной цели в процессе выполнения курсового проекта решаются несколько основных задач:

1) рассмотреть конструкцию печи и технологический процесс плавки, выделить технико-экономические показатели, преимущества и недостатки;

2) рассмотреть индукционный нагрев, выявить его. Выполнить чертеж схемы расположения оборудования, спецификацию к чертежу указать в приложении А;

3) рассчитать технологическую часть проекта, включающую:

ѕ материальный баланс, где необходимо определить исходные материалы для плавки, расчет шихты;

ѕ тепловой баланс, где рассчитать тепло, получаемое от сгорания угля, цинка, органических веществ, фосфора, добавочное тепло, неполезный и полезный расходы тепла;

ѕ выбор основного и вспомогательного оборудования, рассчитать его сметную стоимость, капитальные вложения и амортизационные отчисления.

4) определить сферы применения получаемой продукции и стандарты качества;

5) рассмотреть автоматизацию процесса. Выполнить чертеж общего вида печи, спецификацию к чертежу указать в приложении Б;

6) рассмотреть документы и органы, осуществляющие надзор за охраной труда на предприятии. Выявить основные вредности производства, комплекс мер пожаро- и электробезопасности при работе с индукционной тигельной печью;

7) рассмотреть экологический ущерб окружающей среде при использовании индукционной тигельной печи.

1. Технико-экономическое обоснование проекта

тигельный печь плавка технологический

Конструкция печи

По конструкции печи выполняются открытыми (для плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере) и герметически закрытыми (для плавки в вакууме или в среде нейтральных газов) - вакуумно-компрессионные печи).

Индукционная тигельная печь состоит из индуктора, выполненного в виде многовитковой водоохлаждаемой катушки, футеровки и каркаса. Общий вид печи представлен на рисунке 1 [1].

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля необходимой напряженности. Так же индуктор выполняет роль крепления тигля, которое удерживает его от смещения при наклоне печи. Индуктор изготовляют, как правило, из медной трубки круглого сечения. Витки индуктора имеют овальное сечение и изолированы между собой стеклотканью с пропиткой кремнийорганическим лаком, либо керамической обмазкой. Сечение трубки выбирают так, чтобы толщина стенки примерно в 1,3 раза превышала глубину проникновения тока, сечение стенки при заданной силе тока обеспечивало плотность тока не более 20 А/мм², а сечение отверстия трубки обеспечивало проход количества воды, необходимого для отвода тепла. Наружный диаметр трубки при этом должен позволять разместить по высоте индуктора расчетное число витков [2].

Индуктор и помещаемый внутри него тигель устанавливают на подину, изготавливаемую из шамотных блоков, шамотных кирпичей или из жаропрочного бетона на крупных печах. На промышленных печах тигель, образующий плавильное пространство печи, изготавливают непосредственно в печи. Для этого собранный и установленный на подину индуктор закрепляют и внутреннюю его поверхность изолируют асбестом. Затем на подину насыпают порошкообразные огнеупорные материалы и пневматическими трамбовками уплотняют их слоями по 50--70 мм. На уплотненное днище устанавливают шаблон, сваренный из листовой углеродистой стали толщиной 2--3 мм и имеющий форму, повторяющую внутренние контуры тигля. В кольцевой зазор между шаблоном и индуктором засыпают порошки огнеупоров и уплотняют их такими же слоями.

Тигли выполняют набивкой огнеупорного материала по шаблону с последующей сушкой и обжигом непосредственно в печи. Используется магнезиальная, кварцитовая или высокоглиноземистая футеровка на жидком стекле, сульфит-целлюлозном щелоке, борной кислоте или глине в качестве связующих материалов. Футеровка тигельных печей находится в тяжелых условиях, испытывая агрессивное воздействие расплава, высокие механические нагрузки, частые теплосмены.

Каркас печи воспринимает все механические нагрузки и работает в сильном электромагнитном поле. Для его изготовления используют немагнитные стали, асбоцементные детали и крепежные элементы.

Механизм наклона должен обеспечивать наклон для полного слива металла. Для печей малой емкости используют механизмы, состоящие из лебедки с ручным или электромеханическим приводом и троса, перекинутого через блок. Вращение печи осуществляется, как правило, вокруг цапф, ось которых проходит под носком печи. В некоторых случаях вращение начинается вокруг нижних цапф и осуществляется с большой скоростью, пока в гнездо не уложатся верхние цапфы. После этого печь поворачивается вокруг верхней пары цапф, но уже с меньшей скоростью (увеличивается радиус точки приложения сил). Крышка предназначена для уменьшения тепловых потерь излучением с поверхности расплава и поддержания температуры шлака на более высоком уровне.

Параметры индукционных тигельных печей приведены в таблице 1.



Таблица 1

Параметры индукционных тигельных печей

Тип печи, назначение	Емкость, т	Мощность, кВА	Частота, Гц	Производительность, т/ч
ИЧТ - плавка чугуна	1,0 - 60,0	370 - 18 000	50,	0,60 - 33,60
ИАТ - плавка алюминия и его сплавов	0,4 - 10,0	170 - 2500	50, 500	0,28 - 4,48
ИЛТ - плавка латуни и других медных сплавов	1,0 - 25,0	325 - 3150	50	1,00 - 9,30



1 каркас;

2 сплошной цилиндрический кожух из листовой стали;

3 подина;

4 виток катушки индуктора;

5 межвитковая изоляционная пластина;

6 обмазка внутренней поверхности индуктора толщиной 5-15 мм;

7 теплоизолирующий слой из листового асбеста толщиной 5-8 мм;

8 набивной тигель;

9 сливной носок леточной керамики;

10 обмазка из огнеупорной массы;

11 шамотный блок леточной керамики;

12 подвод воды для охлаждения катушки индуктора;

13 токопроводящая шина;

14 ось поворота печи при сливе жидкого металла.

Рисунок 1 Общий вид печи

Технологический процесс плавки медных сплавов

Исходным материалом для плавки латуни являются шихта цветного литья, предназначенного для волочения, прокатки, штамповки и так далее, составляется из литейных отходов, отходов других цехов, привозных отходов и свежих металлов.

Шихту следует загружать в печь, нагретую до 600 - 700°С. Сначала загружают медь. Если в состав шихты входит никель, его загружают вместе с медью. Расплав перегревают до 1200°С и раскисляют фосфористой медью (0,3 - 1,0% массы меди). После перемешивания сплава счищают шлаки, в несколько приёмов загружают отходы и чушки переплава из стружки, подогретые до 100 - 150°С. При температуре 1160 - 1200°С вводят цинк, олово и железо. Поверхность расплава должна быть покрыта древесным углём или флюсом, содержащим, %: битого стекла 90; полевого шпата 10. После расплавления шихты при температуре 1200°С расплав раскисляют фосфористой медью (0,1 - 0,2%). Затем вводят лигатуры: медь - марганец, медно-алюминиево-железную и так далее. При плавке латуней в качестве шихтовых материалов применяют чушки, возврат, переплав стружки и лигатуры. После подогрева печи в неё загружают чушки и расплавляют их. Сгущают шлак и загружают возврат и переплав; по необходимости подшихтовывают сплав лигатурами [3].

Преимущества и недостатки печи

Индукционные тигельные печи получили распространение в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, то есть сплавов на основе железа, так как при плавке черных металлов тигельные печи имеют более высокий коэффициент полезного действия, чем при плавке цветных металлов. Несмотря на это, индукционные тигельные печи в настоящее время получают все большее развитие и для выплавки цветных металлов и сплавов благодаря другим преимуществам, которые оказываются решающими при выборе типа печи.

Индукционная тигельная печь, как и другие тигельные плавильные печи, имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:

1) энергия выделяется в загрузке, что не требует промежуточных нагревательных устройств;

2) металлы в тигельных печах плавятся быстро, что обеспечивается равномерным распределением температуры и полным исключением местных перегревов. Благодаря данному преимуществу тигельные печи могут использоваться для получения многокомпонентных и однородных сплавов;

3) возможность создания в плавильной тигельной печи окислительной, нейтральной и восстановительной атмосферы независимо от давления;

4) тигельные печи характеризуются высокой производительностью вследствие высокой удельной мощности;

5) металл из тигля сливается полностью;

6) тигельные печи, в том числе и газовая тигельная печь, оптимальны для периодической работы, то есть они функционируют в полную силу даже при перерывах между плавками, при этом можно легко переходить с одной марки сплава на другую;

7) тигельные печи удобны и просты в обслуживании и управлении. Эксплуатация может быть как механической, так и автоматической;

8) тигельные печи обеспечивают гигиеничность процесса плавления, а ущерб окружающей среде минимальный.

Не менее важным преимуществом является еще и широкое разнообразие моделей тигельных печей, которые можно классифицировать по нескольким параметрам. Тигельные печи могут быть открытыми, когда плавка происходит на воздухе, вакуумными - плавление осуществляется в вакууме, компрессорными, когда плавка производится вследствие высокого давления. Существуют модели тигельных печей, которые могут работать непрерывно, периодически и полу непрерывно. В зависимости от тигля различают тигельные печи с керамическим, холодным металлическим, проводящим металлическим и проводящим графитовым тиглем. По своей конструкции плавильные тигельные печи могут быть стационарные и опрокидывающиеся.

Однако сравнительно низкая температура шлака, затрудняющая процессы рафинирования металла в плавильных печах, а также высокая стоимость установок в целом являются их недостатками. Первоначальная стоимость индукционных нагревательных печей также высока, что обусловливается сложностью электрооборудования; их применение целесообразно в основном в условиях массового производства.

Недостатками являются:

1) относительно низкая температура шлаков;

2) вспучивание поверхности расплавленного металла (мениск) из-за больших электродинамических сил, возникающих в расплаве;

3) необходимость для печей малой и средней емкости источников питания высокой и средней частоты.



2. Теоретические основы процесса

Индукционная тигельная печь, или индукционная печь без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока.

Индукционную печь можно рассматривать как трансформатор. Его первичной обмоткой является индуктор, внутри которого помещен нагреваемый или расплавляемый металл, играющий роль вторичной обмотки и одновременно нагрузки. Через индуктор пропускается переменный ток, создающий переменное магнитное поле. Это поле наводит (индуктирует) в нагреваемом металле вихревые токи, вследствие чего в нем выделяется тепло. В процессе нагрева вихревые токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности детали, и плотность тока на поверхности оказывается выше, чем в середине. Это явление называют поверхностным эффектом.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому использование тепла оказывается наиболее полным. С этой точки зрения эти печи - наиболее совершенный тип электрических печей.

Электродвижущая сила, индуктируемая в металле (вторичной обмотке), зависит от величины полезного магнитного потока (то есть потока, участвующего в передаче энергии во вторичную обмотку) и от частоты тока, подведенного к первичной обмотке.

Поскольку в печах без железного сердечника магнитное рассеивание велико, а полезный магнитный поток мал, то для увеличения индуктируемой электродвижущей силы и, следовательно, количества тепла, выделяющегося в нагреваемом металле, прибегают к повышению частоты тока.

Практически для индукционного нагрева используют следующие интервалы частот:

1) при термической обработке стальных деталей диаметром меньше 0,03 м - 200 000 Гц и выше;

2) при термической обработке стальных деталей диаметром 0,03-0,15 м и при толщине закаливаемого слоя выше 2 мм - 1 000 - 10 000 Гц;

3) для питания плавильных бессердечниковых печей 50 - 10 000 Гц;

4) при термической обработке деталей диаметром свыше 0,15 м при нагреве на большую глубину и для питания плавильных печей со стальным сердечником - 50 Гц (питание промышленной сети).

Источником тока высокой частоты являются высокочастотные генераторы. При частоте до 10 000 Гц применяют машинные генераторы, а свыше 10 000 Гц - электронно-ламповые.

Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ перед другими видами электронагрева. В индукционных плавильных печах в отличие от дуговой печи отсутствуют такие источники загрязнения, как электроды. В них металл перемешивается в результате электродинамических усилий и во всей массе поддерживается высокая температура, причем угар металла в них меньше, чем в печах всех других типов. При индукционном нагреве для термической обработки или обработки давлением можно осуществлять нагрев металла на любую глубину, а также местный нагрев деталей. Небольшая производительность нагрева обеспечивает высокую производительность печи, а отсутствие деформации, окалины и обезуглероженного слоя дает возможность осуществлять закалку деталей после их окончательной механической обработки. Установки индукционного нагрева могут быть полностью автоматизированы. Они хорошо вписываются в поточные автоматические производственные линии.



3. Технологическая часть

3.1 Материальный баланс

Материальный баланс - это соотношение между количествами исходных материалов, полученного готового продукта, отходами производства и материальными потерями. Он лежит в основе производственного регламента, дает возможность оценить правильность организации технологического процесса, сравнить эффективность его проведения на разных производствах и может быть выражен уравнением, диаграммой или в виде таблицы.

Характеристика слагаемых исходных материалов.

Шихта цветного литья, предназначенного для волочения, прокатки, штамповки и так далее, составляется из литейных отходов (5%), отходов других цехов (30%), привозных отходов (10%) и свежих металлов (50%) [4].

В литейные отходы включаются обрезки литниковых концов и стружка, получаемая после шабровки поверхностей болванок при удалении шлаковых вкраплений. В общей сложности литейные отходы составляют 5% к весу всей шихты. Отходы других цехов состоят из обрезков, кромок, вырезок и другого. Привозные отходы образуются из различного лома и старых изделий, которые состоят из отдельных компонентов шихты или же по составу аналогичны шихте, но с различным содержанием составляющих.

Химические явления литейного процесса.

Несмотря на благоприятные условия плавки латуни в индукционной печи, где образующиеся пары цинка не дают окисляться меди, все же ввиду наличия в шихте лома и других отходов некоторое количество окислов в ванне будет образовываться.

Окисление загруженной в печь латуни будет происходить до температуры плавления сплава. В этот момент цинк из жидкого состояния переходит в газообразное и своим парциальным давлением создает защитный слой, изолирующий зеркало ванны от доступа воздуха.

Расчет шихты.

Рассчитаем шихту, предназначенную для получения жидкой латуни марки ЛМцСКА в индукционной печи промышленной частоты (50 Гц) с нейтральной футеровкой [5]. В таблице 2 указан химический состав и угар элементов.

Таблица 2

Химический состав и угар химических элементов

Химический элемент	Массовая доля элемента, %	Среднее значение массовой доли элемента, %	Угар, %
Cu	58,0-61,0	60,0	1,0
Pb	1,5-2,5	2,0	1,0
Mn	2,0-3,0	3,0	1,5
Zn	27,0-36,0	35,0	3,0

Весовой состав сплава на 100 кг будет следующий: медь - 60 кг, свинец - 2 кг, марганец - 3 кг, цинк - 35 кг.

Угар элементов на 100 кг шихты составит:

(1)

где А - угар элемента на 100 кг шихты, кг;

Х - среднее значение массовой доли элемента, %;

С - угар химического элемента, %.

По формуле 1 определяем:

;

;

;

.

Расчетный состав сплава будет равен:

. (2)

По формуле 2 определяем:

;

;

;

.

Составляем расчетную таблицу 3.

Таблица 3

Расчетный состав сплава

Химический элемент	Cu	Pb	Mn	Zn	Всего
Массовая доля элемента, %	58,000-61,000	1,500-2,500	2,000-3,000	27,000-36,000	-
Состав на 100 кг шихты, кг	60,000	2,000	3,000	35,000	103,000
Угар, %	1,000	1,000	1,500	3,000	6,500
Угар, кг	0,606	0,202	0,046	1,080	1,934
Расчетный состав сплава, кг	60,606	2,202	3,046	36,080	101,934

Марганец вводим в виде лигатуры Cu-Mn с содержанием 27% Mn, остальное - медь.

1) Расчет начинается с возврата - определением количества компонентов, вносимых возвратом определенного химического состава Cu - 60%, Pb - 2%, Mn - 3%, Zn - 35%; 40 кг (40%) возврата внесут следующее количество элементов:

, (3)

где A₁ - возврат, вносимый элементами, %;

Х - среднее значение массовой доли элемента, %;

N - возврат, %.

По формуле 3 получаем:

;

;

;

.

2) Рассчитываем необходимое количество лигатуры Cu-Mn (27% Mn) для ввода остатка марганца

, (4)

где Y - количество необходимого чистого металла, кг.

.

Количество необходимой лигатуры рассчитаем по формуле:

.

Тогда меди в лигатуре содержится

.

3) Определяем необходимое количество металлов по формуле 4.

;

;

.

Сводим полученные данные в таблицу 4.



Таблица 4

Состав шихты латуни ЛМцСКА

Компонент	Возврат	Медь	Свинец	Цинк	Лигатура
Вес, кг	40,000	31,670	1,402	22,080	6,840
Всего	100,992

Расчет материального баланса.

Расчет материального баланса ведем по содержанию двух основных металлов шихты - Cu и Zn.

Вес отливки 614 кг;

Содержание Cu в шихте 31,67%;

Содержание Zn в шихте 22,08%;

Суммарное содержание Pb, лигатуры и возврата 48,24%.

Обычно при плавке сумма потерь шихты на угар цинка и других веществ составляет от 1,15 до 1,2% к весу отливки. Для расчета возьмем средний процент 1,18% или 7,22 кг.

Таким образом, вес шихты равен

(5)

где m (ш) - вес шихты, кг;

m (о) - вес отливки, кг;

m (в) - вес других веществ, кг.

кг.

50% или 310,61 кг из веса шихты это свежие металлы и столько же отходов.

Принятые в количестве 7,22 кг потери шихты будут слагаться из неметаллических примесей (органических летучих веществ и влаги) и угара цинка.

По весу неметаллические спутники составят:

1) органические летучие вещества 0,15% к весу отходов, или:

(6)

где m (отходы) - масса отходов, кг.

.

2) влага в весеннее, осеннее и зимнее время принимается равной 0,4% от веса отходов и 0,2% от веса свежих металлов или:

(7)

.

3) кислород находится в связанном состоянии в виде окислов меди и в отходах. Так как он связан лишь с чистыми металлами, то при расчете его весового количества нужно исходить из процентного соотношения к весу лишь чистых металлов.

Количество меди в данном случае равняется:

, (8)

где Z (Cu) - количество меди в шихте, кг.

кг.

Считая, что Cu₂O составляет 0,1%, или

,

получим количество кислорода в ней:

, (9)

где m₁(O₂) -вес кислорода в Cu₂O, кг;

A_r (O₂) - относительная атомная масса кислорода, а.е.м.;

M_r (Cu₂O) - молекулярная масса Cu₂O, а.е.м.

.

Латунные отходы обычно содержат 0,3% окислов, из которых 10% CuO и 90% ZnO. Указанный процент необходимо взять по отношению к весу отходов навески за вычетом органических веществ и влаги, то есть

(10)

где m (окислов) - вес окислов, кг.

.

Таким образом, количество ZnO+CuO составит:

а в отдельности:

кг;

кг.

Соответственно, кислорода в латунных отходах:

, (11)

где m₂ (O₂) - вес кислорода в латунных отходах, кг;

M_r (ZnO) - молекулярная масса ZnO, а.е.м.

кг.

Всего кислорода в шихте

.

Всего неметаллических спутников в шихте

кг.

Угар цинка состоит:

1) из цинка, идущего на восстановление меди из Cu₂O, находящегося в отходах;

2) из угара, идущего на образование ZnO. Так как количество CuO очень мало, то его в расчет не принимаем.

Количество цинка, идущего на восстановление меди

.

Так как на образование ZnO идет лишь чистый цинк, то угар цинка берется в процентах от общего веса чистого цинка, входящего в шихту.

Вес чистого цинка составляет:

(12)

где Z (Zn) - количество цинка в шихте, %.

.

Считая, что процент угара примерно равен 1,5%, получим

(13)

где B - масса угара цинка, кг.

.

Общая потеря цинка будет равна:

Все виды потерь будут равны:

(14)

где m - вес всех вид потерь, кг;

m (спутники) - вес неметаллических спутников, кг.

кг.

Так как в начале расчета потери были приняты равными 7,22 кг, то эти потери и будем принимать при расчете материального баланса. Разность равную 1,15 кг относим к весу шихты за счет неучтенных потерь, которыми ранее пренебрегали: угар меди, цинка, идущего на восстановление меди из CuO и так далее.

Материальный баланс индукционной тигельной печи приведен в таблице 5.

Таблица 5

Материальный баланс печи на одну плавку

В килограммах

Показатели	Вес	В результате плавки получено	Вес
Состав шихты
Отходы латуни	310,00	Болванки	601,50
Медь	97,20	Сплески	4,95
Цинк	135,60	В шлаке металла	7,75
Pb, лигатура и возврат	48,24	Улетучилось органических веществ	2,53
Прочие примеси	30,18	Угар и неучтенные потери	4,49
Итого	621,22	Итого	621,22

3.2 Тепловой баланс

Элементы расчета и составления теплового баланса.

B индукционной электропечи тепловая энергия получается
за счет:

1) трансформации электрической энергии в тепловую;

2) термохимических реакций - окисления металла с выделением
тепла [6].

Вся эта энергия идет на нагрев, расплавление и перегрев металла, а также на покрытие электрических и тепловых потерь в установке. Тепловые потери в окружающую среду происходят вследствие теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Тепло, уходящее вследствие теплопроводности через стенки печи, можно подсчитать по формуле

(15)

где k - коэффициент теплопроводности;

F - площадь, отдающая тепло, м²;

- единица времени, час;

S - толщина стенки, м;

t₁ и t₂ - температурные потенциалы.

Обозначим д₁; д₂; д₃… толщины слоев стенки; л₁; л₂; л₃… коэффициенты теплопроводности соответствующих слоев; б₁ и б₂ - коэффициенты окружающей среды. Для подсчета потерь от теплопроводности и определения общего коэффициента теплоотдачи сначала составляется уравнение теплоотдачи от жидкого металла к стенке, затем составляется уравнение потерь каждого слоя и потери последнего слоя в воздушную среду. Таким образом, согласно диаграмме, представленной на рисунке 2, составляется пять уравнений:

а в единицу времени: ;

;

;

;

.

Сложив эти уравнения, будем иметь:

.

Считая, что

,

будем иметь

(16)

Из формулы (15) следует, что общий коэффициент теплопроводности зависит от толщины стенки и от свойств ее материала.

Потери тепла рассчитываются по формуле

. (17)

Лучеиспускание подсчитывается по формуле

(18)

где c - коэффициент лучеиспускания, который рассматривается как постоянная величина, равная в среднем 4,5 ккал/м²*град*час;

F - площадь, м²;

T₁ и T₂ - температуры в абсолютных величинах;

- время, час.



Рисунок 2 Кривая температур многослойной стенки

Расчет теплового баланса печи.

Тепло, получаемое от сгорания угля.

Для создания восстановительной, предохраняющей металл от окисления атмосферы над зеркалом ванны, вместе с первой порцией шихты забрасывается в печь 1 кг древесного угля, 0,6 кг которого сгорает в печи. Образующийся в начале работы печи газ от сгорания углей содержит 3,8% CO₂ и 2,2% CO. Таким образом, отношение CO₂: CO=1,7, то есть углерод, сгорая, дает 0,4 CO₂ и 0,2 СО.

При сгорании 1 кг чистого древесного угля в CO₂ выделяется тепла 8080 ккал, а в СО 2430 ккал.

(19)

где Q - количество тепла при сгорании угля, ккал;

Q (газа) - количество тепла, выделяемое газом, ккал.

Для СО₂

.

Для СО

.

Суммарное тепло от сгорания угля будет равно

ккал.

Следовательно, тепло, получаемое от сгорания угля составит

, (20)

где K - масса сгораемого угля в печи, кг.

.

Тепло, получаемое от сгорания цинка.

Цинк при сгорании выделяет 4350 ккал. Количество цинка, который сгорает в шихте, равно 1,5% от общего количества цинка, находящегося в шихте, то есть 3,45 кг. В меди содержится 0,192 кг Cu₂O и в латуни 0,0927 кг CuO. Таким образом, на восстановление меди потребуется цинка

(21)

где G₁ - вес Cu₂O, кг;

Ar (Zn) - относительная атомная масса цинка, а.е.м.;

Mr (Cu₂O) - молекулярный вес Cu₂O, а.е.м.;

G₂ - вес CuO, кг.

Подставляя в формулу (26) соответствующие значения, получим потребное количество цинка для восстановления меди:

.

Так как сгорание цинка в ZnO дает больше тепла, чем содержалось в CuO и в Cu₂O, то в результате этих реакций замещения получим:

; (22)

; (23)

. (24)

Согласно реакции

,

получаем теплоту сгорания цинка:

(25)

Затем от сгорания чистого цинка получим:

,

или

, (26)

где G₃ - вес ZnO, кг;

M_r (ZnO) - молекулярный вес ZnO, а.е.м.

.

Общее тепло сгорания цинка:

ккал.

Теплообразование от сгорания органических веществ.

В шихте содержится 0,46 кг органических веществ. Принимая их теплоту сгорания за 8000 ккал на 1 кг, получаем

(27)

где Q₃ - теплота сгорания органических веществ, ккал;

m (ОВ) - масса органических веществ в шихте, кг;

Q (ОВ) - теплота сгорания органических веществ, ккал.

.

Тепло, полученное от сгорания фосфора.

При плавлении цинковых сплавов фосфор не является раскислителем, в данном случае он входит в сплав компонентом химических соединений. Поэтому фосфора сгорает примерно 25% от всей присадки.

Фосфор присаживается в виде сплава CuCu₃P, где его содержание до 14%. Cu₃P присаживается до 0,2 кг. В данном случае имеется: Р=10%; Cu=90%, что составляет фосфора:

, (28)

где m (P) - вес P, кг;

m (Cu₃P) - масса присадки Cu₃P, кг;

Q_гор (P) - количество сгораемого фосфора, ккал.

Общая теплота сгорания фосфора определяется по формуле:

(29)

где Q (P) - теплота сгорания фосфора равная 5896 ккал.

.

Таким образом, общее количество тепла, получаемое за счет термохимических реакций равно:

, (30)

где Q_приход - общее количество тепла, получаемое за счет термохимических реакций, ккал;

Q₁ - количество тепла, получаемое от сгорания угля, ккал;

Q₂ - общее тепло сгорания Zn, ккал;

Q₃ - теплота сгорания органических веществ, ккал;

Q₄ - общая теплота сгорания P, ккал.

ккал.

Потери тепла.

(31)

Где k - коэффициент теплопроводности;

t1 и t2 - температурные потенциалы, .

Потери тепла через открытое загрузочное окно.

Площадь загрузочного окна равна:

(32)

где D₀² - диаметр окна, м².

м².

Продолжительность плавки 1 час. Время выдержки окна в открытом состоянии 0,4 часа.

Подсчет потерь через открытое загрузочное окно будет равно

(33)

где c - постоянная, равная 4,5;

T₁ - абсолютная температура газов на уровне садочного окна;

T₂ - абсолютная температура окружающего воздуха.

ккал.

Потери тепла через закрытое садочное окно.

Время в течение которого окно закрыто, равно 0,6 часа; t₁ равна 260 , t₂ равна 27 ; площадь окна 0,157 м²; коэффициент теплопроводности равен 20,6 ккал/м²*град*час. Таким образом, подставляя значения в формулу (31), получим

ккал.

Потери тепла через ребра загрузочного окна.

Высота ребра 0,08 м; диаметр верхней части 0,45 м; время плавки 1 час; t₁ равна 140 , t₂ равна 27 ; коэффициент теплопроводности равен 14.

(34)

где F - площадь окна, м²;

D - диаметр верхней части, м;

h - высота ребра, м.

.

Подставляя полученные значения в формулу (31), получим потери тепла через загрузочное окно:

.

Потери тепла через верхнюю часть шахты печи.

Диаметр шахты 1,23 м; наружная температура шахты 100 ; температура воздуха 27 ; время плавки 1 час; коэффициент теплопроводности 12,4; диаметр верхней части 0,45 м.

Площадь верхней части шахты печи:

(35)

где D_ш² - диаметр шахты, м;

D_о² - диаметр верхней части, м.

.

Подставляя значения в формулу (31), получим потери тепла через верхнюю часть шахты печи:

.

Потери тепла через боковую поверхность шахты печи.

Верхний диаметр шахты 1,1 м; наружная температура шахты 100 ; температура воздуха 27 ; площадь поверхности равна 2,66 м², коэффициент теплопроводности равен 12,4, время плавки 1 час.

Подставляя данные в формулу (31), получим потери тепла через боковую поверхность шахты печи.

.

Потери тепла через нижнюю часть печи (без учета потерь бронзовым каркасом).

Площадь днища 0,3 м²; температура наружного слоя 120 ; температура воздуха 30 ; коэффициент теплопроводности равен 13,8; время плавки 1 час. Подставляя эти данные в формулу (31), получим потери тепла через нижнюю часть печи

.

Потери тепла через подовую часть (через бронзовый каркас).

Поверхность бронзового каркаса 1,2 м²; температура поверхности каркаса 110 ; температура воздуха 35 ; коэффициент теплопроводности 12,8; время плавки 1 час. Подставляя данные в формулу (31), получим потери тепла через подовую часть

.

Общее количество потерь тепла за время одной плавки путем конвекции, лучеиспускания и теплопроводности стенок индукционной печи будет равно:

, (36)

где Q₅ - потери тепла через открытое загрузочное окно, ккал;

Q₆ - потери тепла через закрытое садочное окно, ккал;

Q₇ - потери тепла через ребра загрузочного окна, ккал;

Q₈ - потери тепла через верхнюю часть шахты печи, ккал;

Q₉ - потери тепла через боковую поверхность шахты печи, ккал;

Q₁₀ - потери тепла через нижнюю часть печи, ккал;

Q₁₁ - тепло, уносимое воздухом из зоны охлаждения, ккал;

Q₁₂ - потери тепла через подовую часть, ккал.

.

К количеству потерь тепла необходимо прибавить 20% на неучтенные потери тепла вследствие теплопроводности различных опор печи, троса и так далее.

(37)

где Q₁₃ - неучтенные потери тепла, ккал.

.

Тогда суммарный расход тепла будет равен:

.

Потери тепла, унесенного влагой

В шихте содержится примерно 2 кг воды, которая улетучивается из печи, унося с собой тепло. Для нагрева 2 кг воды до 100 требуется:

(38)

где m (вода) - вес воды, кг;

T₁ - температура нагрева воды, .

.

На испарение этого количества тепла потребуется

, (39)

где Т₂ - температура испарения воды, равная 507, .

.

Итого, потери тепла, унесенного влагой:

.

Потери тепла на испарение окиси цинка.

Потери тепла на испарение окиси цинка учитывать не следует, так как цинк в шахте, образуя с кислородом воздуха свой окисел, отдает часть тепла шахте печи, а другую часть уносит с собой. Всего сгорает цинка 2,034 кг. Шлак содержит 23,75% ZnO.

Часть окиси цинка пришлаковывается к стенкам шахты печи и частично остается на поверхности ванны, что подтверждает нахождение окиси цинка в путце. Таким образом, на испарение окиси цинка нужно считать не более 70% от угара цинка, или 2,42 кг цинка, который образует окись цинка при плавке. Вес окиси цинка определяется по формуле:

, (40)

где G - вес цинка, образующий окись цинка при плавке, кг.

.

Теплоемкость окиси цинка при 950 равна 0,15 Дж/(кг). Тогда уносимое окисью цинка тепло составит:

, (41)

где с - удельная теплоемкость ZnO, Дж/(кг•).

.

Потери тепла с улетучивающимися органическими веществами.

Согласно полученным расчетам по формуле (6), в шихте содержится 0,46 кг органических веществ, их вес значительно увеличивается соединением с кислородом во время горения. Если приять количество вновь образующихся соединений в 1 кг и суммарную теплоемкость равной 0,18, тогда:

, (42)

где Q₁₈ - потери тепла с улетучивающимися органическими веществами, ккал;

m (ос) - масса органических соединений, кг.

.

Потери тепла, уносимого шлаком.

Вес шлака 9,3 кг. Показатели составных частей шлака указаны в таблице 6.

Таблица 6

Характеристика шлака

Состав	Содержание, кг	Содержание, %	Сплав и их окислы, %	Теплоемкость при 950 , Дж/(кг)	Количество уносимого тепла при 950 , ккал
Медь	3,100	35,230	56,160	0,110	323,900
Цинк	1,880	20,930	56,160	0,110	196,500
Окись меди	0,910	10,320	34,070	0,195	168,600
Окись цинка	2,450	23,750	34,070	0,150	349,100
Уголь	0,350	2,670	2,670	0,350	116,300
Прочие	0,610	7,100	7,100	0,180	104,300
Всего:	9,300	100,000	100,000		1258,600

Из таблицы 6 видно, что общие тепловые потери вместе со шлаком составляют

.

Общие потери:



, (43)

где Q_z - общие потери тепла, ушедшего с летучими веществами и шлаками, ккал;

Q_y - общее количество потерь тепла за время одной плавки, ккал;

Q₁₆ - потери тепла, унесенного влагой, ккал;

Q₁₇ - тепло, уносимое окисью цинка, ккал;

Q₁₈ - потери тепла с улетучивающимися органическими веществами, ккал;

Q₁₉ - общие тепловые потери вместе со шлаком, ккал.

.

Определение необходимого полезного тепла.

Содержание меди m (Cu)……………………………........97,2 кг;

Теплоемкость меди c (Cu)…………………………………..0,114 Дж/(кг•);

Температура плавления меди T (Cu)………………………1083 ;

Содержание цинка m (Zn)………………………………...135,6 кг;

Теплоемкость цинка c (Zn)………………………………….0,110 Дж/(кг•);

Температура плавления цинка T (Zn)………………….......419 ;

Содержание латунных отходов m (ло)…………………..310 кг;

Теплоемкость латунных отходов c (ло)……………………0,110 Дж/(кг•);

Температура плавления латунных отходов T (ло)………...950 .

Тепло, необходимое для нагрева меди:

.

Тепло, необходимое для нагрева цинка:

.

Тепло, необходимое для нагрева латунных отходов

.

Тепло, необходимое для нагрева шихты до температуры плавления:

.

Тепло, необходимое для расплавления меди:

, (44)

где U (Cu) - напряжение, необходимое для расплавления меди, равное 43 В.

.

Тепло, необходимое для расплавления цинка:

, (45)

где U (Zn) - напряжение, необходимое для расплавления цинка, равное 28 В.

.

Тепло, необходимое для расплавления латунных отходов:

, (46)

где U (ло) - напряжение, необходимое для расплавления латунных отходов, равное 38 В.

.

Тепло, необходимое для расплавления шихты:

.

Вес латуни слагается из содержания меди, цинка и латунных отходов:

.

Тепло, потребное на перегрев ванны



, (47)

где T - температура, равная 135 ;

c - теплоемкость, равная 0,12 Дж/(кг).

.

Общее количество необходимого полезного тепла:

, (48)

где Q₂₀ - тепло, необходимое для нагрева шихты до температуры плавления, ккал;

Q₂₁ - тепло, необходимое для расплавления шихты, ккал;

Q₂₂ - тепло, потребное на перегрев ванны, ккал.

.

Общий расход тепла равен:

, (49)

где Q_a - полезный расход тепла, ккал;

Q_z - неполезный расход тепла, ккал.

.

Добавочное тепло находится по формуле:

, (50)

где Q_расход - общий расход тепла, ккал;

Q_приход - общий приход тепла, ккал.

.

Термический коэффициент полезного действия:

, (51)

где _т - термический коэффициент полезного действия, %;

.

Тепловой баланс печи, отнесенный к весу плавки, приведен в таблице 7.

Таблица 7

Тепловой баланс

В килокалориях

Приход	Содержание	Расход	Содержание
Тепло от сгорания угля	2231,00	Неполезный расход
Тепло от сгорания цинка	4212,40	Через стенки печи	7256,40
Тепло от сгорания органических веществ	3680,00	Унесенное влагой	1214,00
Тепло от сгорания фосфора	29,50	На испарение ZnO	429,00
Добавочное тепло	79371,60	С улетучивающимися органическими веществами	190,00
Всего:	89524,50	Со шлаками	1258,60
		Итого:	10329,00
		Полезное тепло
		Для нагрева шихты	50645,50
		Для плавки	19757,00
		Для перегрева	8793,00
		Итого:	79195,50
		Всего:	89524,50



3.3 Расчет и выбор основного, вспомогательного оборудования

В качестве основного оборудования рассматриваем индукционную тигельную печь. Индукционные тигельные печи без сердечника состоят из следующих основных частей: индуктора магнитопроводов, каркаса, футеровки, механизма наклона печи, электрооборудования и системы охлаждения. Наиболее важный узел тигельной плавильной печи -- индуктор.

Под вспомогательным оборудованием рассматриваем ковш литейный разливочный, литейный кран, конвейер для разливки металла (разливочная машина), ёмкость для расплава цветных металлов (миксер), вибрационные загрузчики (питатели).

Ковш литейный, разливочный предназначен для приема жидкого металла из индукционной плавильной тигельной печи, кратковременного хранения, перемещения, рафинирования и разливки в литейные формы. Внутренняя поверхность ковша футерована огнеупорным материалом [7].

Ковши перемещают с помощью литейного крана. Литейные мостовые краны являются основным подъёмно-транспортным оборудованием, которое используется на металлургических предприятиях для транспортировки, заливки и разливки жидкого металла [8].

Конвейер для разливки (разливочная машина) предназначен для механизированной разливки жидких цветных металлов с целью получения товарных слитков. Разливочный конвейер (разливочная машина) состоит из сварной рамы, выполненной из стального проката, приводного и натяжного валов со звездочками цепной передачи, двух приводных цепей, мотор-редуктора с муфтой и пультом с частотной регулировкой двигателя, комплекта чугунных изложниц [9].

Вибрационный загрузчик (питатель) передвижной, предназначен для автоматизации процессов транспортирования и загрузки шихты в индукционные (металлургические) печи вертикальной загрузки, ёмкостью от 2 до 10 тонн [10].

Спецификация на приборы и оборудование приведена в таблице 8.

Таблица 8

Основное оборудование и его характеристика

Наименование оборудования	Количество, шт.	Страна-производитель	Первоначальная стоимость, руб.
Ковш литейный	2	Россия	100 000
Литейный кран	1	Россия	1 000 000
Разливочная машина	3	Россия	380 000
Питатели	2	Россия	900 000
Итого	8	-	2 380 000

Сметно-финансовый расчет стоимости оборудования.

На основании выше приведенной спецификации, с учетом количества основных фондов, рассчитываем их стоимость и капитальные вложения, необходимые для осуществления работ [11]. Расчет приведен в таблице 9.

Таблица 9

Сметно-финансовый расчет стоимости оборудования

Наименование оборудования	Количество, шт.	Сметная стоимость, тыс. руб.
		Единицы	Общая
		Стоимость оборудования	Монтажные работы	Зарплата	Стоимость оборудования	Монтажные работы	Зарплата	ТЗР	ЗСР	РЗЧ
Ковш литейный	2	100,0	5,0	1,0	200,0	10,0	2,0	8,0	4,0	2,0
Литейный кран	1	1 000,0	50,0	10,0	1 000,0	50,0	10,0	40,0	20,0	10,0
Разливочная машина	3	380,0	19,0	3,8	1 140,0	57,0	11,4	45,6	22,8	11,4
Питатели	2	900,0	45,0	9,0	1 800,0	90,0	18,0	72,0	36,0	18,0
Итого	8	2 380,0	119,0	23,8	4 140,0	207,0	41,4	165,6	82,8	41,4

Монтажные работы составляют 5% от стоимости оборудования, а заработная плата составляет 20% от стоимости монтажных работ [12].

СС = общая стоимость оборудования + ТРЗ + ЗСР + РЗЧ, (52)

где СС - сметная стоимость, руб.;

ТРЗ - транспортно-заготовительные расходы, составляющие 4% от общей стоимости оборудования, руб.;

ЗСР - заготовительно-складские работы, составляющие 2% от общей стоимости оборудования, руб.;

РЗЧ - расходы на запасные части, составляющие 1% от общей стоимости оборудования, руб.

Подставляя значения в формулу (52), получаем сметную стоимость (руб.):

ковш литейный 214 000, литейный кран 1 070 000, разливочная машина 1 219 800, питатели 1 926 000.

Капитальные вложения рассчитываются по формуле:

КВ = СС + МР, (53)

где МР - общие монтажные работы, руб.

Капитальные вложения необходимы для осуществления монтажных работ и служат основой для начисления амортизации.

Подставляя значения в формулу (53), получаем капитальные вложения (руб.): ковш литейный 224 000, литейный кран 1 120 000, разливочная машина 1 276 800, питатели 2 016 000.

Расчет амортизационных отчислений.

Амортизация - процесс переноса первоначальной стоимости амортизируемого объекта на создаваемую продукцию в течение срока полезного использования [13].

Амортизационные отчисления - перенесенная стоимость объекта основных средств на готовую продукцию за определенный период времени.

Расчет амортизационных отчислений приведен в таблице 10.

Таблица 10

Расчет амортизационных отчислений

Наименование оборудования	Срок службы, лет	Сметная стоимость, руб.	Капитальные вложения, руб.	Расчет амортизации
				Норма амортизации, %	Годовая амортизация, руб.
Ковш литейный	10	214 000,0	224 000,0	10,0	22 400,0
Литейный кран	10	1 070 000,0	1 120 000,0	10,0	112 000,0
Разливочная машина	10	1 219 800,0	1 276 800,0	10,0	127 680,0
Питатели	10	1 926 000,0	2 016 000,0	10,0	201 600,0
Итого	-	5 820 800,0	6 092 800,0	-	463 680,0

; (54)

. (55)

Расчет амортизационных отчислений для ковша литейного:

Норма амортизации = = 10 %;

Годовая амортизация = = 22 400 руб.



4. Технический контроль

Сферы применения латуни.

Сплав цинка и меди идеален для изготовления переходников, элементов охлаждающих систем для двигателей внутреннего сгорания, крепежных изделий, патронов и пуль, сантехники и элементов декора [14].

Автомобиле- и машиностроение (подшипники, втулки, неподвижные и движущиеся детали), строительство (крепеж, проволока, сантехника), холодильное оборудование, пищевая промышленность (промышленные установки по обработке продуктов питания), авиа-судостроение (латунные трубки, прутки, плиты для ремонта), химическая промышленность (трубопроводы, контейнеры, сосуды для химикатов).

Стандарты качества [15]:

ѕ ГОСТ 15527-70 (Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением), где указаны химический состав и марки латуней. Настоящий стандарт распространяется на медно-цинковые сплавы, обрабатываемые давлением, предназначаемые для изготовления полуфабрикатов (латунных листов, лент, круглого проката - круг латунный, латунная проволока);

ѕ ГОСТ 2208-2007 (Фольга, ленты, листы и плиты латунные). Настоящий стандарт распространяется на латунные холоднокатаные фольгу, ленты, холоднокатаные и горячекатаные листы и горячекатаные плиты общего назначения. Стандарт не распространяется на латунные ленты, предназначенные для радиаторов;

ѕ ГОСТ 2060-90 (Прутки латунные). Настоящий стандарт распространяется на тянутые и прессованные латунные прутки круглого, квадратного и шестигранного сечений, применяемые в различных отраслях промышленности;

ѕ ГОСТ 17711-93 (Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные). Настоящий стандарт устанавливает марки медно-цинковых сплавов (латуней) в отливках;

ѕ ГОСТ 1020-97 (латуни литейные в чушках). Настоящий стандарт распространяется на латуни литейные в чушках, изготовляемые из лома и отходов цветных металлов и сплавов и предназначенные для нужд экономики страны и экспорта, а также как шихтовый материал для изготовления латуней по ГОСТ 17711.

В данной работе рассматривается выплавка латуни марки ЛМцСКА, установленной стандартом ГОСТ 1020-97.

Латунь ЛМцСКА применятся для изготовления деталей автомобильной промышленности, её состав должен соответствовать требованиям таблицы 11[16].

Таблица 11

Химический состав латуни МСцСКА по ГОСТ 1020-97

В процентах

Массовая доля основных компонентов
Cu	Pb	Si	Mn	Al
58,0-61,0	1,5-2,5	0,5-1,3	2,0-3,0	0,7-1,5
Массовая доля примесей, не более
Fe	Sn	Sb	As	Bi	P	Ni	Всего
0,60	0,20	0,03	0,05	0,01	0,03	1,00	1,30

Технические требования.

Масса каждой чушки не должна превышать 42 кг. Для кремнистых латуней масса чушек допускается до 45 кг. Форму и размеры чушек устанавливает изготовитель.

На поверхности чушек не должно быть наплывов, заливов, вздутостей, шлаковых и инородных включений.

Общая площадь поверхности, занимаемой окисными пленками и пленами, не должна превышать 15% поверхности чушек.

В изломе чушки должны быть плотными и без инородных включений.

На каждой чушке должны быть нанесены товарный знак или товарный знак и наименование предприятия-изготовителя, номер плавки, цветная маркировка сплава.

Цветную маркировку наносят на торцах чушек несмываемой краской в виде вертикальных полос и крестов для латуни марки ЛМцСКА - двух красных.

Правила приемки.

Сплавы предъявляют к приемке партиями. Партия должна содержать чушки из сплава одной марки, одной или нескольких плавок и сопровождаться одним документом о качестве, содержащим:

ѕ товарный знак или товарный знак и наименование предприятия-изготовителя;

ѕ марку сплава;

ѕ номер партии;

ѕ массу партии;

ѕ номер плавки;

ѕ результат химического анализа плавки;

ѕ дату изготовления;

ѕ обозначение настоящего стандарта.

Партия не должна содержать более 1% ломаных чушек. В партии, предназначенной для экспорта, ломаные чушки не допускаются.

Проверке качества поверхности подвергают не менее 20 чушек.

Контроль качества излома проводят по требованию потребителя. Для контроля качества излома отбирают не менее двух чушек.

Для контроля химического состава от каждой плавки отбирают не менее двух чушек. На предприятии-изготовителе допускается отбирать пробы от жидкого металла по методике, утвержденной в установленном порядке.

При получении неудовлетворительных результатов испытаний хотя бы по одному из показателей по нему проводят повторные...