Схема индукционной канальной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема индукционной канальной печи

1. Индукционные канальные печи (ИКП)

В этих печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора (рис.1). В нем поглощается 90-95 % подводимой к печи электрической энергии.

Рис. 1

С целью снижения потерь магнитного рассеяния Фр первичную щ1 и вторичную щ2 обмотки располагают на одном стержне магнитопровода М, по которому протекает основной магнитный поток Ф1.

Вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки; из-за различия большого потока рассеяния Фр, вызванного необходимостью футеровки печи, она имеет низкий cos(ц).

Магнитный поток первичной обмотки Ф1, пересекая канал с металлом, наводит в нем электродвижущую силу Е2. Возникающий в короткозамкнутом витке (канал с расплавленным металлом) тока I2, проходя по металлу, выделяет теплоту согласно закону Джоуля-Ленца.

Поток рассеяния Фр составляет приблизительно 25-30 % от основного потока Ф1, поэтому E2 < E1kтр (kтр - коэффициент трансформации: ; для канальных печей kтр = щ1).

ЭДС вторичной обмотки:

где I2 - ток в канале печи, A; R'2, X'2 - приведенные активное и реактивное сопротивление канала соответственно, Ом; z2 - комплексное сопротивление, Ом.

При условии синусоидального напряжения коэффициент мощности печи

металл печь электроэрозионный

Из формулы следует, что cos (ц) уменьшается с увеличением потока рассеяния и уменьшением активного сопротивления металла. Вследствие большого зазора между индуктором и каналом печи, что вызвано необходимостью футеровки, реактивная мощность печи в несколько раз превосходит ее активную мощность, а естественный cos(ц) = 0,3-0,7. Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют канальным печам для плавки металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий). Большие значения коэффициента мощности соответствуют канальным печам для плавки металлов с высоким удельным электрическим сопротивлением (сталь, чугун).

Перемешивание расплавленного металла в канальной печи.

В канальных печах однородный химический состав и одинаковая температура жидкого металла достигают воздействием магнитного поля индуктора с током в канале, что приводит к возникновению магнитогидродинамических явлений в печах.

Рассмотрим взаимодействие тока канала с магнитным полем на двух участках канала К (рис.1а): участок постоянного поперечного сечения канала SK, коаксиальный индуктор И; II - участок с непостоянным по длине и не аксиальным по отношению к индуктору поперечным сечением. Допустим равномерное распределение тока.

Рис. 1

На участке I (рис1.6) вследствие круговой симметрии системы вектор плотности тока имеет только одну аксиальную компоненту дz (ось Z расположена вдоль оси канала по всей его длине), а магнитная индукция - одну тангенциальную компоненту BQ. Электромагнитная сила в этом случае также имеет лишь радиальную компоненту Fr, направленную от поверхности к оси канала. Эта сила вызывает сжатие металла (пинч-эффект). На всей длине участка I значения этих сил постоянны, поэтому они не могут вызвать движение металла в канале, а оказывают лишь статическое воздействие на металл, сжимая его по радиусу канала. Для исключения пережатия расплава необходимо, чтобы сила гидростатического давления металла в соответствующей точке канала и силы атмосферного давления на поверхности ванны металла были больше силы электромагнитного сжатия.

На участке II (рис.1.в) индукция также имеет составляющую BQ, но вектор плотности тока имеет две компоненты - осевую дz и радиальную дr. Взаимодействие BQ и дr создает силу сжатия, в то время как взаимодействие BO и дz создает аксиальную компоненту электромагнитной силы Fz, действующей на расплав вдоль оси и заставляющей его перемещаться в направлении силы Fz (вдоль канала).

Таким образом, изменение формы и размеров канала вдоль его оси позволяет обеспечить сквозное течение металла в канале вследствие возникающей силы. Это дает возможность исключить перегрев металла в канале и повысить мощность индукционной единицы.

2. Легкоплавкие и тугоплавкие электроды электродуговых установок

Электроды в дуговых печах служат для ввода электроэнергии в зону ее потребления, для расплавления шихты и получения необходимых материалов.

Электроды делятся на расходуемые и не расходуемые. Они должны иметь достаточную механическую прочность, способность выдерживать высокие температуры, низкое активное сопротивление.

В дуговых печах применяются непрерывно наращиваемые графитизированные электроды. Электроды по оси имеют отверстие с резьбой и с помощью ниппеля, выполненного из материала электрода, соединяются между собой.

Электроды в дуговых печах представляют собой мощный энергопотребитель, относящийся ко второй категории по надежности электроснабжения.

Объяснить, с какой целью необходимо обеспечить непрерывную откачку газов из рабочей камеры ЭЛУ при плавке металлов

Энергетический комплекс. ЭЛУ включает в себя электронную пушку с блоками питания и управления лучом. Электронная пушка - устройство, в котором эмитируемый катодом пучок электронов формируется в электрическом и магнитном полях в луч, который ускоряется в электрическом поле, выводится через отверстие в аноде и направляется на нагреваемый объект.

Электротехнической промышленностью выпускаются ЭЛУ различных типов, предназначенных для плавления металла. В качестве плавильных устройств широкое применение получили ЭЛУ с аксиальной пушкой (рис.1.).

Рис. 1 Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой: 1-катод вспомогательный, 2-катод основной, 3-анод, 4-магнитная система, 5-лучепровод, 6-электрод-заготовка, 7-кристаллизатор с охлаждающей жидкостью, 8- переплавленный металл, 9- электронный луч, 10-катодная камера, 11-плавильная камера

Аксиальная пушка образует сильно сфокусированный электронный луч 9. В ней имеется два катода. Основной катод 2 выполненный в виде массивной вогнутой снизу вольфрамовой пластины. Он разогревается до 2300-2500 К электронной бомбардировкой от вспомогательного катода 1, который выполнен в виде нагретой током вольфрамовой спирали.

Между катодами 1 и 2 прикладывается напряжение 3,5-5,0 кВ. Вспомогательный катод 1 имеет отрицательный потенциал относительно основного катода 2, так что основной катод является анодом для вспомогательного катода. Анод 3 имеет специальную форму для создания в пространстве между ним и катодом 2 такого электрического поля, которое сфокусировало бы электронный пучок 9 так, чтобы он практически весь проходил через отверстие анода 3.

Пройдя через анод 3, электронный луч 9 попадает в лучепровод 5, соединяющий катодную камеру 10 с плавильной камерой 11 установки, в которой находится переплавляемый электрод 6. Он может перемещаться горизонтально: его можно вводить под пучок электронов или выводить из-под него. Часть электронного луча 9 проходит мимо электрода заготовки 6 и попадает на поверхность ванны жидкого металла 8, расположенной в кристаллизаторе 7 в нижней части плавильной камеры 11.

Лучепровод 5 должен защищать катодный узел 10 от прорыва в него газов из плавильной камеры 11. С этой целью лучепровод 5 снабжен откачивающим насосом, кроме того, имеются насосы, откачивающие газы и пары из катодной 10 и плавильной камеры 11. В лучепроводе производится дополнительная магнитная фокусировка с помощью магнитных линз 4, поскольку, на своем пути через лучепровод электронный пучок расширяется. ЭЛУ с аксиальными пушками работают при ускоряющем напряжении 30-40 кВ.

Успешная плавка в электронно-лучевых печах возможна при обеспечении высокой скорости откачки и остаточном давлении в плавильной камере порядка 0,0013 Па. Высокое разрежение необходимо для того, чтобы пучок электронов на пути к нагреваемому телу потерял, возможно, меньше энергии на столкновение с атомами и молекулами газов, а также для удаления из расплавленного металла испаряемых в условиях плавки примесей.

В результате электронно-лучевой плавки молибден и вольфрам очищаются от подавляющей части примесей. Для глубокой очистки от кислорода необходимо введение раскислителей.

3. Сущность электроэрозионной обработки металлов. Область применения, преимущество и недостатки процесса. Влияние механических свойств материалов на обрабатываемость

Сущность электроэрозионной обработки металлов.

Электрической эрозией называют процесс разрушения металлов электрическими разрядами, возникающими в результате пробоя диэлектрического промежутка между электродами.

Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового разряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду (диэлектрическую жидкость). Картина происходящих, поэтапно в межэлектродном промежутке физических процессов показана на рис.1.

К электродам 1 и 4 (рис.1,а) подведено напряжение, которое создает электрическое поле в межэлектродном промежутке. При сближении электродов 1 и 4 до расстояния ?, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка, происходит электрический пробой.

При этом от электрода 1, который в данный момент является катодом, отделяется стример 3 и направляется к аноду 4, ионизируя на своем пути жидкость 2.

В результате этой фазы (ее длительность 10-9-10-7 с) образуется канал сквозной проводимости 5 и сопротивление межэлектродного промежутка снижается от нескольких мега Ом до долей Ома.

Рис. 1 Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроэрозионной обработке

Через канал проводимости в виде импульса выделяется электрическая энергия, накопленная в источнике питания (рис.1,б). При этом происходит электрический разряд 5, длительность которого составляет 10-6-10-4 с, для которого характерна падающая вольтамперная характеристика. Разряд проходит искровую и дуговую стадии. Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда и приэлектродных областях развиваются высокие температуры. Под их воздействием образуется парогазовая полость 7. В приэлектродных областях 8 происходит плавление и испарение микропорций металла на поверхности электрода. В результате развивающегося давления капли жидкого металла 6 выбрасываются из зоны разряда и застывают в окружающей электроды жидкой среде в виде мелких сферических частиц 9 (рис.1,в). Для повышения интенсивности разряда электроды погружают в диэлектрическую жидкость 2 (керосин, минеральное масло и др.). На поверхности электродов 1 и 4 имеются микронеровности различной величины. Напряженность электрического поля будет наибольшей между двумя наиболее близкими друг к другу выступами на поверхностях электродов, поэтому именно здесь происходит нарушение электрической прочности жидкости и возникает электрический пробой межэлектродного промежутка. После пробоя электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Следующий разряд возникает в другом месте между другими неровностями поверхностей электродов. При этом электрод-инструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь. Выделяющаяся в столбе разряда энергия расходуется на испарение жидкости и представляет собой потери энергии. Это обусловило уменьшение длины межэлектродных промежутков между электродами (1-10 мкм), что диктуется также условиями техники безопасности по снижению рабочего напряжения установки.

4. Область применения. Преимущество и недостатки процесса

С помощью электроэрозионной обработки металлов можно осуществлять следующие операции:

1. Прошивание отверстий: При ЭЭО прошивают отверстия на глубину до 20 диаметров с использованием стержневого ЭИ и до 40 диаметров - трубчатого ЭИ. Глубина прошиваемого отверстия может быть значительно увеличена, если вращать ЭИ, или обрабатываемую поверхность, или и то и другое с одновременной прокачкой РЖ через ЭИ или с отсосом ее из зоны обработки. Скорость электроэрозионного прошивания (ЭЭПр) достигает 2-4 мм/мин.

2. Маркирование: Маркирование выполняется нанесением на изделие цифр, букв, фирменных знаков и др. Электроэрозионное маркирование обеспечивает высокое качество, не вызывает деформации металла и не создает зоны концентрации внутреннего напряжения, которое возникает при маркировании ударными клеймами. Глубина нанесения знаков может колебаться в пределах от 0,1 до 1 мм. Операция может выполняться одним ЭИ и по многоэлектродной схеме. Изготавливаются ЭИ из графита, меди, латуни, алюминия. Производительность составляет около 3-8 мм/с. Глубина знаков зависит от скорости движения электрода. При скорости движения электрода более 6 мм/с четкость знаков ухудшается. В среднем на знак высотой 5 мм затрачивается около 4 c.

3. Вырезание: В основном производстве электроэрозионное вырезание (ЭЭВ) применяют при изготовлении деталей электро-вакуумной и электронной техники, ювелирных изделий и т. д. в инструментальном производстве, при изготовлении матриц, пуансонов, пуансонодержателей и других деталей, а также вырубных штампов, копиров, шаблонов, цанг, лекал, фасонных резцов и др.

4. Шлифование: Этот процесс шлифования применяют для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, магнитных и твердых сплавов.

А также: отрезка, объемное копирование, доводка, упрочнение.

Преимущества процесса.

Учитывая, что процесс электроэрозионной обработки исключает непосредственный контакт инструмента и заготовки, он идеально подходит:

- Для обработки хрупких отливок и «тонких» деталей, которые не выдерживают самых малых сил резания. В качестве примера подобных деталей можно назвать ударники матричных принтеров, графитные электроды и множество сложных ячеистых деталей из металлов с особыми свойствами.

- Прошивные станки позволяют получать стенки толщиной 0,05 мм. А в случае прошивки отверстий очень малого радиуса удается получать стенки толщиной всего 0,005 мм. В качестве примеров тонкостенных изделий можно привести хирургические инструменты, микроволновые излучатели и сложные конструктивные элементы космических спутников.

- Проволочная вырезка и копировальная прошивка используются для изготовления хомутов, цанговых патронов, полостей турбин, ребер охлаждения формовочного инструмента, а также силовых ребер.

Недостатки процесса.

Не всегда электроэрозионная обработка становится альтернативой для традиционных методов механообработки. Вот часть ограничений, которые относятся к стандартному электроэрозионному оборудованию:

ограничения максимальных размеров заготовки по осям для проволочной вырезки: по оси Y-- 1480 мм, по оси Z -- 500 мм, по оси X -- ограничений нет. Для копировально-прошивных станков: Y-- 1480 мм, по оси Z -- 400 мм, по оси X -- 2400 мм;

максимально достижимый угол конусной вырезки при проволочной вырезке -- 45 градусов, хотя некоторые пользователи декларируют достижение больших углов, превышающих 50 градусов;

максимальный угол резки с учетом высоты -- 30 градусов для 400 мм;

максимальное удельное электрическое сопротивление заготовок и крепежа -- 0,5-5 Щ на сантиметр (для вырезных и прошивных станков);

точность станков ограничивается порогом в 0,002 мм (для вырезных и прошивных станков);

чистота обработки поверхности -- Ra = 0,1 µм (для вырезных станков), Ra = 0,05 µм (для прошивных станков);

5. Влияние механических свойств материалов на обрабатываемость

В процессе электроэрозионной обработки не принимается в расчет твердость материала, что делает его идеальным для обработки токопроводящих материалов твердостью выше 38 HRC, включая закаленную сталь, стеллит и карбид вольфрама. Ведь в процессе электроэрозионной обработки материал не режется, а испаряется. Поэтому методы электроэрозионной резки и прошивки используются для изготовления сложных штампов и другого кузнечно-прессового инструмента из сверхтвердых материалов.

6. Анодно-абразивная обработка металлов

Сущность процесса обработки.

Анодно-абразивная обработка, рис.1, основана на анодном растворении и механическом воздействии на обрабатываемое изделие. При этом на поверхность, электрода заготовки могут воздействовать электрический ток, обеспечивающий анодное растворение; механическая сила, создаваемая частицами абразива, режущими или царапающими поверхность электрода заготовки (ЭЗ); тепловой поток, приводящий к тепловой эрозии поверхности слоя ЭЗ.

Рис. 1 Схема анодно-абразивной обработки: 1 - электрод-инструмент; 2 - источник постоянного тока; 3 -электрод-заготовка; 4 - раствор электролита; 5 - межэлектродный промежуток; 6 - выступ; 7 - абразивные частицы

Электрод-инструмент (ЭИ), поверхность которого со скоростью vи движется вдоль поверхности ЭЗ подключен к отрицательному полюсу, а к положительному полюсу подключен ЭЗ.

Межэлектродный промежуток 5 заполняется раствором электролита 4. Приложенная к электроду-инструменту 1 извне сила G поджимает его к ЭЗ 3, но так, чтобы между обоими телами не было обширного контакта и их электропроводные поверхности оказались разделенные зазором аmin. При этом через межэлектродный промежуток 5 проходит ток I, а расходуемая на обработку электрическая мощность определяется произведением Р = UI, где U - напряжение источника питания. Внешняя сила G вызывает силу трения Gтр, которая приложена к поверхности ЭИ 1, движущегося со скоростью vи. Таким образом, для обработки детали затрачивается и механическая мощность А = vиGтр (она обычно меньше электрической).

При анодно-абразивной обработке удаляются выступы 5 на ЭЗ (см. рис.1,а). Во впадинах материал снимается менее интенсивно. Снятое с поверхности ЭЗ вещество может находиться в трех конечных состояниях: - химически связанном состоянии с составляющими электролита (как при электрохимической обработке); - в виде застывших капель металла (как при электроэрозионной обработке); - в виде металлических сколотых частиц.

Каждое из состояний соответствует одному из упомянутых воздействий. Менять роль любого из воздействий можно подбором режима, а также созданием рабочих сред различного состава.

При анодно-абразивной обработке одновременно с процессом анодного растворения некоторого микроучастка на нем нарастает пассивирующая пленка, препятствующая дальнейшему снятию металла. Пленка образуется вследствие применения соответствующего рабочего раствора. В процессе обработки используются электролиты, которые образуют слои оксидов или нерастворимых соединений металла. Поэтому по истечению некоторого времени на первоначально токопроводящем микроучастке ЭЗ плотность токе снижается. Для возобновления анодного растворения на пассивном участке необходимо удалить образовавшуюся на его поверхности пленку. Для очистки микровыступов от возникшей пленки применяется механическое воздействие абразивными частицами 7, внедренными в ЭИ 1. Ускоряют обработку микровыступов подбором параметров режима, при которых плотность тока на выступах, больше, чем во впадинах. Среда, заполняющая межэлектродный промежуток, расширяется при прохождений через нее рабочего тока вследствие газовыделения и выделения теплоты. Для сближения электродов необходимо приложить внешнее усилю G, уравновешивающее гидростатическое давление. Равновесие такое наступает при зазоре, которому соответствует среднее давление электрода-инструмента Pин = G/ Pин При давлениях выше Pин электропроводные участки касаются друг друга, что приводит к механическому срыву пассивирующей пленки и короткому замыканию на большой площади. При малой внешней силе длина одного промежутка увеличивается, при этом снижается отношение плотностей тока. С возрастанием зазора анодно-абразивная обработка переходит в электрохимическую обработку.

7. Опишите механизм возникновения ударной волны при электрогидравлической обработке

Электрогидравлический эффект - это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 МН/м2.

Электрический разряд в жидкости - это способ преобразования электрической энергии в механическую, который осуществляется без промежуточных звеньев с высоким КПД (рис.6.9). Элементами схемы является повышающий трансформатор Тр, выпрямитель V, накопитель электрической энергии С. Электрод Э1, ванна-электрод Э2 (Э1 и Э2 формируют разрядный промежуток). Искровой высоковольтный разряд ИЭР в жидкости характеризуется очень быстрым преобразованием запасенной в накопителе энергии в тепловую, световую, механическую и т.д. Пробой практически несжимаемой жидкости искровым разрядом ИР, который переходит в дуговой разряд и приводит к появлению такого явления, как электрогидравлический удар.

Возникающая импульсная ударная волна (ИУВ) осуществляет механическое воздействие на деталь Д и очищает поверхность от загрязнений (З). Это может быть окалина, ржавчина, заусенцы, остатки формообразующей смеси и другие виды загрязнений. Ударная волна в жидкости осуществляет очистку поверхностей деталей сложной формы, и легко проникает в отверстия любой формы.

Размещено на Allbest.ru