Расчет индукционной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Кафедра «Сварка и металлургия»

Курсовая работа

по дисциплине: «Нагревательное оборудование цехов ОМД»

на тему: «Расчет индукционной установки»

Выполнил:

Ст. гр. б2МЕТЛ-41

Федосеев М.Е.

Проверил:

Асс. Кошуро В. А.

Саратов 2015

Оглавление

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Общие сведения
• 1.2 Преимущества индукционного нагрева
• 1.3 Классификация индукционных установок
• 1.4 Индукционные тигельные печи: достоинства, недостатки, классификация
• 1.5 Принцип работы печи
• 1.6 Конструкция основных элементов тигельных печей
• 1.7 Индукционные канальные печи
• 1.8 Принцип работы индукционных канальных печей
• 1.9 Достоинства и недостатки канальных печей
• 2. Аналитический обзор патентной литературы
• 3. Расчет индуктора
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложение
• Введение
• В связи с быстрым развитием автомобилестроения, самолетостроения и других новейших направлений машиностроения в гражданских и оборонных отраслях, значительно возросла выплавка сплавов цветных металлов. Мировая тенденция развития печных агрегатов для производства сплавов цветных металлов характеризуется следующими положениями:
• 1) печи на коксе практически не используются из-за высокого загрязнения сплавов, трудности получения отливок высокого качества, низкой экологичности и высокого энергопотребления;
• 2) сокращается использование пламенных отражательных печей ввиду повышения угара металла и насыщения его газами, особенно при использовании легковесной садки и существенного загрязнения продуктами сгорания топлива;
• 3) по сути прекратилось применение электродуговых печей также по причине большого угара металла, трудности регулирования химсостава и гомогенности сплава, а также из-за больших затрат энергии при теплосохранении расплава;
• 4) печи сопротивления используются только как теплосохраняющие и практически не применяются как плавильные агрегаты из-за низкой производительности.
• Быстро расширяется сфера применения индукционных печей: тигельных и канальных на промышленной частоте, тигельных плавильных на средней частоте и тигельных с укороченным индуктором для выдержки металла, - которые используются во всех видах выплавки цветных металлов, процессах теплосохранения и разливки.
• Тигельные печи средней частоты вытесняют индукционные печи промышленной частоты и применяются для скоростных плавок малыми партиями. Канальные индукционные печи промышленной частоты наиболее эффективны как теплосохраняющие и разливочные. Крупные канальные индукционные печи используются для выплавки и накопления отдельных марок цветного металла в ночное время, когда стоимость электроэнергии самая низкая, а в дневное время обеспечивается непрерывная разливка или литье в крупные формы.
• 1. Литературный обзор
• 1.1 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.).
• 1.2 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.
• 1.3 Классификация индукционных установок
• По назначению индукционные установки делятся на плавильные печи, миксеры и нагревательные установки. Под индукционными фонемами подразумевают индукционные установки, предназначенные для нагрева металлов и сплавов выше температуры их расплавления и перегрева металла до температуры разливки. Сюда относятся электропечи для плавки черных металлов и для плавки цветных металлов и сплавов. Миксеры служат как для подогрева жидкого металла до температуры разливки, так и для выравнивания его состава и поддержания его температуры.
• Под нагревательными индукционными установками подразумевают установки для нагрева деталей до температуры термообработки или горячей деформации металла, т. е. меньшей, чем температура расплавления металла. Это -- индукционные установки для сквозного нагрева под горячую деформацию металлических заготовок и установки для термообработки (поверхностная закалка, отпуск и пр.).
• По частоте тока источника питания индукционные установки делятся на печи и нагревательные установки низкой (промышленной) частоты (50 Гц), печи и нагревательные установки средней частоты (150--10000 Гц), печи и нагревательные установки высокой частоты (50--1000 кГц) и установки диэлектрического нагрева -- установки сверхвысокой частоты (5--5000 МГц).
• По конструкции индукционные печи и нагревательные установки могут выполняться открытыми, т. е. работающими при атмосферном давлении воздуха, и герметически закрытыми, т. е. работающими или с разрежением воздуха внутри плавильного пространства, или с повышенным давлением при заполнении рабочего пространства нейтральным газом (азотом, аргоном, водородом). Закрытые установки могут быть выполнены как вакуумно-компрессионные.
• По режиму работы различают печи и установки периодического действия и печи и установки непрерывного действий.
• По принципу действия индукционные печи подразделяются на тигельные (печи без сердечника) и канальные (печи с сердечником); названные так по элементам конструкции печи, где находится расплавленный металл.
• Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко применяется в различных областях промышленности для самых разнообразных целей: для плавки металлов и сплавов, горячей деформации металла, термообработки, зонной очистки металлов и т. п.
• Установки диэлектрического нагрева образуют отдельную группу установок, работающих на высоких и сверхвысоких частотах. Они. разнообразны по назначению и исполнению. В качестве источников питания применяются ламповые генераторы. Эти установки предназначены главным образом для нагрева диэлектриков и полупроводящих материалов при получении синтетических материалов из пресс порошков, склейке, сушке, сварке пластиков и других видах обработки непроводниковых материалов.
• При диэлектрическом нагреве используются частоты от сотен килогерц до сотен мегагерц. Преимуществом нагрева материалов в поле конденсатора является выделение теплоты непосредственно внутри нагреваемого объекта за счет поляризации (токов смещения). Высокочастотные установки для нагрева непроводниковых и полупроводниковых материалов применяются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
• Развитие индукционных установок и установок диэлектрического нагрева идет по пути большего использования автоматизации, регулирования электрического режима, механизации погрузочно-разгрузочных операций, автоматического контроля качества термообработки, использования нейтральных атмосфер и вакуума. Так как экономическая эффективность возрастает с увеличением емкости и мощности установок, то имеется тенденция к созданию сверхмощных агрегатов. Так, разрабатываются печи для плавки чугуна емкостью 60 т и для подогрева чугуна (миксеры) на 100 т. Растет число конструкций печей и установок непрерывного и полунепрерывного действия.
• 1.4 Индукционные тигельные печи: достоинства, недостатки, классификация
• 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).
• Индукционные тигельные печи получили распространение в основном для выплавки высококачественных сталей и чугунов специальных марок, т. е. сплавов на основе железа, так как при плавке черных металлов тигельные печи имеют более высокий КПД, 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.
• Тигельная печь применяется для плавления различных металлов и сплавов. Схема тигельной печи может включать индукционный нагрев, когда нагревание тел осуществляется благодаря тепловому воздействию на них электрического тока. Ток, который находится в нагреваемом теле, называется наведенным или индуцированным. Индукционные тигельные печи являются довольно сложными устройствами, которые состоят из каркаса, индуктора, вакуумной системы, нагревательная и плавильная камера, механизмы, позволяющие наклонять печь, перемещая расплавленные и нагретые металлы. В большинстве случаев индукционные тигельные плавильные печи имеют цилиндрическую форму и производятся из огнеупорных материалов.
• Индукционная тигельная печь, как и другие тигельные плавильные печи имеют ряд преимуществ, основными из которых являются:
• Энергия выделяется в загрузке, что не требует промежуточных нагревательных устройств.
• 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.
• Возможность создания в плавильной тигельной печи окислительной, нейтральной и восстановительной атмосферы независимо от давления.
• Тигельные печи характеризуются высокой производительностью вследствие высокой удельной мощности.
• Металл из тигля сливается полностью.
• 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.
• Тигельные печи удобны и просты в обслуживании, управлении. Эксплуатация может быть как механической, так и автоматической.
• Тигельные печи обеспечивают гигиеничность процесса плавления, а ущерб окружающей среде минимальный.
• Недостатков у тигельных печей очень мало, и они просто ничтожны по сравнению с преимуществами. Благодаря этому тигельные плавильные печи широко применяются в различных промышленных отраслях. Недостатками являются: относительно низкая температура шлаков; вспучивание поверхности расплавленного металла (мениск) из-за больших электродинамических сил, возникающих в расплаве; необходимость для печей малой и средней емкости источников питания высокой и средней частоты.
• 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 полунепрерывно. 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.
• 1.5 Принцип работы печи
• Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом загрузки, размещенной в тигле печи. Нагрев и расплавление металлической шихты происходят вследствие наведения электрического тока путем электромагнитной индукции от магнитного поля, создаваемого индуктором, подключенным к источнику переменной ЭДС. При прохождении тока в кусках шихты происходит разогрев их до оплавления и образования жидкой ванны. При получении жидкой ванны наибольшая плотность тока имеет место на периферии металлической загрузки в слое, прилегающем к стенкам тигля, а наименьшая -- в центральной пасти загрузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в слое металла, толщина которого равна глубине проникновения тока. Выделение энергии зависит от частоты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихтового материала. Поскольку при изменении температуры изменяются как геометрические размеры сплавляемых друг с другом кусков металла, так и их магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление, то частота тока выбирается из условий оптимального режима плавки, при которых процесс расплавления идет наиболее быстро.
• При ведении плавки большую роль играет циркуляция расплавленного металла в ванне печи, которая возникает от электродинамических усилий при взаимодействии токов в индукторе и металле. Направления этих токов противоположны друг другу, и возникают силы, которые приводят к выдавливанию металла от стенок тигля к центру; в результате поверхность ванны расплавленного металла в центре вспучивается и металл находится в состоянии непрерывного движения. Циркуляция металла способствует ускорению химических процессов между компонентами расплава и шлаком и выравниванию состава расплава. Для уменьшения высоты мениска и уменьшения количества шлака для покрытия поверхности ванны центр катушки индуктора сдвигают вниз по отношению к центру металла в тигле печи таким образом, чтобы верхний виток катушки был ниже уровня зеркала металла на 100--200 мм. Особенно большой сдвиг делают в печах промышленной частоты, где циркуляция металла наиболее интенсивна.
• 1.6 Конструкция основных элементов тигельных печей
• Рассмотрим конструкцию основных элементов тигельных печей.
• Индуктор выполняют из медной водоохлаждаемой трубки круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Толщина стенок трубок ?_и не должна быть меньше 1,ЗД_Э,_И, где ?_и -- глубина проникновения тока в медь при рабочей частоте печи. Ниже приводятся рекомендуемые толщины трубок в зависимости от частоты питающего тока:
• f, Гц . . 50 500 1000 2500 4000 8000 70000
• ?_и, мм . . 13--20 3,5--6 2,5--4,5 2--4 2--3 1,5--2 0,8--2
• Для печей промышленной частоты 50 Гц индуктор выполняют из неравностенных трубок, утолщенная сторона которых должна быть направлена к тиглю с металлом. Размеры сечений трубок следующие:
• Обычно индукторы выполняют однослойными из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение. При необходимости увеличения высоты витка индуктора либо выполняют намотку из двух спаянных между собой трубок, либо делают две параллельно соединенные катушки, установленные одна под другой по высоте тигля.
• В последнем случае катушки выполняются: одна -- левой, а другая -- правой намотки, т. е. чтобы катушки имели согласное включение при подсоединении их к источнику питания. Токоподводы подключают к виткам в центральной части индуктора и к параллельно соединенным крайним виткам (нижнему и верхнему виткам) индуктора.
• Вода для охлаждения секций индуктора должна подаваться через гибкие резинотканевые шланги достаточной длины для обеспечения поворота печи. Температура входящей воды не должна быть ниже 10 °С во избежание отпотевания индуктора, а выходящей -- не выше 50° С, так как при более высокой температуре происходит отложение солей на стенках трубки, что приводит к уменьшению сечения отверстия для прохода воды. Систему водоохлаждения рассчитывают так, чтобы падение давления в каждой из секций индуктора не превышало 2 кПа. Электропечи большой мощности (для плавки никеля, чугуна) и емкости имеют до 10--16 секций водоохлаждения. Для контроля температуры воды и давления устанавливают электроконтактные термометры и реле давления, а также реле протока, обеспечивающие своевременную сигнализацию и отключение установки при нарушении охлаждения.
• Крепление витков индуктора может быть выполнено либо с помощью припаянных шпилек, закрепленных в деревянных стойках в четырех диаметрально противоположных местах по окружности витка индуктора, либо стяжками (с изоляцией витков с помощью многослойной изоляционной ленты или изоляционных прокладок), а также путем заливки жаростойким бетоном. Индукторы, изготовленные последним способом, являются вибростойкими, хорошо противостоят электродинамическим усилиям и механическим воздействиям при наклоне печи, но в случае пробоя изоляции не могут быть отремонтированы и подлежат полной замене.
• Токоподводы к индуктору осуществляют шинопроводами с разъемным соединением в виде контактного ножа и губок или гибким водоохлаждаемым кабелем. Для уменьшения сечения жил кабель помещают в водоохлаждаемый рукав. Сечение шинопроводов выбирают с учетом поверхностного эффекта.
• Тигли могут быть электропроводящими (из электропроводящих материалов -- стали, графита) или неэлектропроводящими (из керамических материалов). Электропроводящие тигли применяют для улучшения КПД печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит в пределах 20--40 мм, графитовых--30--70 мм. Графитовые тигли применяют для плавки меди и алюминия, стальные -- для плавки магния. Электропроводящий тигель закрепляется с помощью уголков и полос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких местах по окружности тигля и соединяемых между собой болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой крупки и асбестового картона.
• Воротник печи (верхняя часть тигля) выполняют из шамотовых или магнезитовых кирпичей и обмазывают составом, содержащим глину и другой связующий материал. Сливной носок изготавливают из шамотовых или магнезитовых блоков или кирпичей и также обмазывают. Крышки печей футеруют огнеупорным фасонным кирпичом. При загрузке печи крышку снимают или отодвигают с помощью крана, гидравлического или электромеханического привода.
• Тигли устанавливают на подину из асбестоцементных плит или на кирпичные блоки из шамота. Современные печи для плавки алюминиевых сплавов имеют подину из жаропрочного бетона. Между индуктором и огнеупорным тиглем прокладывают асбестовый картон.
• Магнитопроводы применяют для экранировки магнитных полей с целью уменьшения электрических потерь в кожухе или каркасе печи. Магнитопроводы представляют собой пакеты прямоугольной формы, набранные из листов электротехнической стали марок 1511, 1512 или 3411 с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных между собой болтами с изоляционными втулками. Иногда пакеты магнитопроводов служат и для крепления индуктора в радиальном направлении. Пакеты сжимают индуктор по радиусу в нескольких местах по окружности витков индуктора. Магнитная индукция в магнитопроводе равна 0,9--1,2 Тл для частоты 50 Гц и 0,2--0,5 Тл для частоты 500 и 1000 Гц. Применение магнитопроводов для печей на частоту более 1000 Гц нерентабельно, так как их масса возрастает из-за необходимости снижения магнитной индукции. В этом случае применяют электромагнитные экраны, состоящие из медных листов, окружающих индуктор с наружной стороны.
• Рис. 1. - Индукционная тигельная печь со стальным тиглем для плавки магния. 1-- стальной тигель; 2 -- индуктор; провод; 3 - набивная футировка; 4 - магнитопровод
• Пакеты магнитопроводов закрепляют с помощью упорных болтов или винтов в каркасе печи. Магнитопроводы могут быть жестко скреплены с каркасом печи, или входить в так называемый узел установки индуктора, и могут быть выемными вместе с индуктором. Это делается для ускорения замены футеровки печи в аварийном случае или плановой замены, предусмотренной графиком планово-предупредительных ремонтов печи. Электромагнитные экраны устанавливаются в вакуумных печах, работающих на повышенной частоте, где особенно важным является уменьшение массы и габаритов отдельных элементов печи.
• Кожух (корпус) печи предназначен для крепления индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью 0,1--0,5 т) применяют кожухи из неметаллических материалов -- дерева, асбестоцементных плит, брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали и цветного металла (бронзы, латуни). При применении металлических деталей каркас выполняют с разъемами по окружности во избежание наведения замкнутых токов от электромагнитного поля индуктора. Места разъема соединяют через изолирующие прокладки с помощью болтов и шпилек с втулками и шайбами из изолирующего материала.
• Печи промышленной частоты большой емкости (свыше 3 т.) имеют замкнутый сварной или литой кожух из низкоуглеродистой стали или чугуна. Печи емкостью 10--40т снабжены поясами жесткости, расположенными в средней части кожуха, а также поперечными и продольными ребрами жесткости из профильной стали углового и таврового сечений. В кожухе предусматривают окна для отвода нагретого воздуха и проемы для присоединения токоподводов.
• Механизмы наклона печи выполняют с электромеханическим или гидравлическим приводом. Поворот печи обычно осуществляется вокруг оси, расположенной под сливным носком для уменьшения перемещения ковша для слива металла; в этом случае изменение траектории струи металла будет наименьшим.
• Во избежание опрокидывания печи предусматривают установку конечных выключателей, срабатывающих при достижении предельных положений печи и выключающих механизм наклона. Наклон печей периодического действия ведут при выключенном электропитании. Электропитание может не выключаться только у миксеров, работающих в непрерывном режиме.

• Рис. 2. - Индукционная тигельная печь малой емкости (160 кг по стали). 1 - набивной тигель; 2 - индуктор; 3 - деревянная рама; 4 - ось поворота; 5 - подшипниковая стойка; 6 - каркас; 7 - шаблон.
• 1.7 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.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.

• Рис. 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.
• индукционный нагрев канальный печь
• 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- 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

• 1.8 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
• = 15002000 (рис. 4).


Размещено на http://www.allbest.ru/

• Рис. 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.

• 1.9 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 усилиями. 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.
• 2. Аналитический обзор патентной литературы
• Таблица 2

№ п.п.	Номер патента; название; автор(ы); дата	Реферат
1	RU2390700;Электромагнитная индукционная тигельная плавильная печь с u-образным магнитопроводом и горизонтальным магнитным потоком; Левшин Геннадий Егорович (RU), Попов Никита Александрович (RU); 20.01.2015.	Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к конструктивным особенностям электромагнитных индукционных тигельных печей для плавки литейных металлов и сплавов. Печь содержит корпус, тигель с ванной, выполненный заодно с корпусом магнитопровод с разноименными полюсами, обращенными друг к другу и тиглю и для создания горизонтального магнитного потока индуктор с витками, охватывающими горизонтальную часть магнитопровода между полюсами, при этом тигель с ванной размещен между упомянутыми полюсами над индуктором. Изобретение позволяет снизить потери от износа тигля и брака отливок по неметаллическим включениям и энергоемкости процесса плавки, уменьшить габариты установки, а также повысить защищенность и надежность индукционной тигельной печи[4].
2	RU 2291758 C2; Индукционная вакуумная печь; Котов Александр Николаевич (RU), Казаков Валентин Степанович (RU), Кривенко Георгий Георгиевич (RU), Новопашин Игорь Витальевич (RU), Богаткин Алексей Николаевич (RU), Шишкин Глеб Борисович (RU); 27.11.2012.	Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям индукционных вакуумных печей для плавки металлов и сплавов. Индукционная вакуумная печь содержит вакуумную камеру с индуктором, охватывающим вакуумную камеру, тигель для шихты, установленный соосновакуумной камере, и систему вакуумирования камеры, состоящую из диффузионного и форвакуумного насосов, связанных гибкими шлангами. Она оснащена вертикально ориентированной рамой, на верхней части которой установлена вакуумная камера с индуктором, платформой, установленной на раме с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения посредством привода, обечайкой с уплотнительными элементами, установочным кольцом, при этом на платформе соосновакуумной камере установлены герметично состыкованные друг с другом посредством вакуумного затвора диффузионный насос с впускным патрубком и обечайка, на верхней части которой закреплены установочное кольцо и тигель, причем обечайка выполнена с возможностью образования герметичного соединения с вакуумной камерой посредством кольца с уплотнительными элементами, а тигель - с возможностью размещения в средней части индуктора посредством установочного кольца. Изобретение позволяет повысить производительность процесса выплавки слитков и их качество за счет установки диффузионного насоса соосно с корпусом вакуумной камеры, что обеспечивает быстрое достижение заданного вакуума и дегазацию расплава[5].
3	RU 2120202 C1; Индукционная канальная печь; Тимофеев Виктор Николаевич (RU), Тимофеев Николай Викторович (RU), Сергеев Николай Вячеславович (RU); 27.12.2011.	Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям индукционных канальных печей для приготовления сплавов и разновесных компонентов, и направлено на повышение эффективности перемешивания расплава в печи и ее производительности за счет исключения зарастания канальной части окислами. Индукционная канальная печь выполнена в виде Ш-образного магнитопровода, имеет горизонтальный закрытый канал для расплава металла в форме тора эллиптического сечения. На среднем стержне Ш-образного магнитопровода расположена первичная обмотка, а вторичная обмотка состоит из двух частей, размещеннных поверх первичной обмотки так, что одна часть ее находится над горизонтальным каналом с расплавом металла, а другая - под каналом[6].
4	RU 2333439 C2; Индукционная тигельная печь; Тимофеев Виктор Николаевич (RU), Тимофеев Николай Викторович (RU), Христинич Роман Мирославович (RU), Темеров Александр Алексеевич (RU), Первухин Михаил Викторович (RU), Сергеев Николай Вячеславович (RU); 10.11.2011.	Изобретение относится к области металлургии, в частности к индукционным установкам, предназначенным для плавки и приготовления сплавов, требующих в процессе приготовления эффективного перемешивания расплавленного металла. Печь содержит тигель, индуктор с основной и дополнительными катушками, источник питания, два конденсатора, один из которых последовательно соединен с основной катушкой и источником питания, образуя основной контур, а другой - подключен к дополнительным катушкам, которые размещены вокруг основной катушки и соединены последовательно и встречно, образуя короткозамкнутый контур, при этом число витков дополнительных катушек и емкости конденсаторов выбраны таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса между индуктивно связанными основным и короткозамкнутым контурами. Изобретение позволяет эффективно перемешивать расплав металла и повышает коэффициент мощности установки[7].
5	RU 2096713 C1; Высокотемпературная индукционная печь; Шаповалов Юрий Николаевич (RU), Ульянов Андрей Николаевич (RU), Комаров Владимир Петрович (RU), Куфа Эмма Николаевна (RU), Гусаров Олег Николаевич (RU); 10.08.2009.	Изобретение относится к конструкциям индукционных тигельных печей для высокотемпературной переработки материалов и может быть использовано в металлургии, в процессах прокаливания твердых продуктов, в переработке твердых органических отходов, включая отходы тары и упаковки. Печь содержит индуктор, холодный тигель, теплоизоляционный слой, внутренний тигель и его верхнюю и нижнюю крышки, изготовленные из карбида кремния, при этом внутренний тигель снабжен средством непрерывной загрузки и разгрузочно-перемешивающим устройством, содержащим приводной вертикальный вал, на котором укреплены на разных уровнях по вертикали лопасти и подвижный диск с выполненными в нем по концентрическим осевым окружностям отверстиями, образующими емкости, установленный между двумя неподвижными дисками, закрепленными в нижней крышке тигля на опоре приводного вертикального вала и выполненными с отверстиями, одинаковыми по диаметру и расположенными на тех же осевых концентрических окружностях, что и в подвижном диске, при этом отверстия в дисках расположены с шагом не менее 2,5 их диаметра, а нижняя лопасть расположена непосредственно над верхним неподвижным диском. Изобретение обеспечивает перемешивание и рыхление материала посредством вращающихся лопастей и непрерывность выдачи готового продукта[8].
6	RU 2046554 C1; Многофазная индукционная тигельная печь; Лузгин Владислав Игоревич (RU), Петров Александр Юрьевич (RU), Черных Илья Викторович (RU), Шипицын Виктор Васильевич (RU), Якушев Константин Викторович (RU), Рачков Сергей Александрович (RU), Сарапулов Федор Никитич (RU); 10.09.2008.	Изобретение относится к индукционной нагревательной технике и может быть использовано для плавки металлов и сплавов. Боковая поверхность цилиндрического тигля многофазной индукционной тигельной печи условно разделена на вертикальные сектора по внешней окружности тигля с боковыми сторонами каждого сектора, параллельными оси симметрии тигля. Каждая фазная обмотка выполнена в виде однослойной концентрической прямоугольной катушки, при этом в каждом вертикальном секторе расположена одна упомянутая фазная обмотка таким образом, чтобы две стороны каждого прямоугольного витка в каждой обмотке m-фазного индуктора - нижняя и верхняя - были перпендикулярны оси симметрии тигля, а вторые две стороны того же витка - левая и правая - были параллельны оси симметрии тигля. Все фазные обмотки многофазного индуктора расположены по длине внешней окружности тигля на одном уровне по отношению к нижней и верхней частям тигля, образуя горизонтальный ряд обмоток с высотой, равной высоте нагреваемого металла с одновременным образованием симметричного многофазного катушечного индуктора. Изобретение позволяет создать симметричную многофазную индукционную печь независимо от типа шихты, расположения ее по высоте тигля, скорости нагрева и расплавления шихты[9].
7	RU 2177132 C1; Индукционная печь; БРЕН Патрис (FR), ЛАКОМБ Жак (FR), ЛАДИРА Кристиан (FR), БУСКЕ Франсис (FR); 27.06.2007.	Изобретение относится к области металлургии, конкретно к конструкции индукционной печи. Печь включает подину, на которой установлена боковая стенка. Подина снабжена камерами охлаждения. Боковая стенка содержит вертикальные секции, покрытые керамикой. Кромки стыков соединений поверхностей вертикальных секций скруглены. На внутренней и боковых поверхностях вертикальных секций острые кромки скруглены. Верхние поверхности камер охлаждения покрыты керамикой. Острые кромки, ограничивающие верхние поверхности камер охлаждения, выполнены скругленными. Основа керамики выбрана из веществ, включающих муллит, окись алюминия, циркон, цирконий и цирконат. Использование изобретения обеспечивает защиту устройства от химического воздействия газов и предотвращает возникновение дуговых разрядов[10].
8	SU 1328653 A1; Индукционная тигельная печь-термос; Дятлов Валерий Александрович, Челтыгдашев Михаил Прокопьевич, Ширяев Алексей Васильевич; 27.09.2003.	Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструктивным особенностям тигельных индукционных печей для плавки цветных и черных металлов и неэлектропроводных материалов, шлаков, стекла и других веществ. В предлагаемой печи футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры. Индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за футеровкой, не соприкасаясь с ней. Изобретение позволяет создать многофункциональную и универсальную конструкцию печи, в частности, для выращивания и очистки кристаллов кремния и германия[11 приложение].

• Вывод: в результате проведения литературного и патентного обзора были рассмотрены классификации индукционных печей, их принцип работы, а также представлены патенты наиболее близкие к теме работы.

• 3. Расчет индуктора
• Рассчитать индуктор для нагрева цилиндрической заготовки из титана в индукторе периодического действия.
• Задано:
• Частота нагрева: Гц,
• Длина заготовки a₂=0.27 см
• Диаметр заготовки : см,
• Напряжение питания: В,
• Температура нагрева детали: С,
• Плотность титана при н.у.:
• Число витков = 3
• Коэффициент зависящий от скорости нагрева К = 6
• В результате расчётов были получены следующие данные:

1. Время нагрева вычисляется по следующей формуле:

(1)

гдеf - частота Гц; ?_к - глубина проникновения тока см.

(2)

где - приведенный диаметр для цилиндрической и наименьший размер сечения для прямоугольной заготовки см; D₂ - диаметр заготовки см; ?? - глубина слоя, в котором выделяется главная часть энергии индуктированного тока см.

(3)

где К - коэффициент, зависящий от скорости нагрева;t_k - время нагрева.

2. Средняя полезная мощность вычисляется по следующей формуле:

(4)

гдеG - масса заготовки, кг.

(5)

гдеa₂ - длинна заготовки см; г - плотность металла.

3. Внутренний диаметр индуктора и толщина тепловой изоляции вычисляется по следующей формуле:

(6)

(7)

гдеD₁ - внутренний диаметр индуктора; D₃ - толщина тепловой изоляции

4. Длина индуктора вычисляется по следующей формуле:

(8)

5. Тепловые потери вычисляются по следующей формуле:

(9)

где з_t- коэффициент примерно равный 0,92.

6. Средняя мощность в заготовках вычисляется по следующей формуле:

(10)

7. Мощность в конце нагрева вычисляется по следующей формуле:

(11)

8. Активное и внутреннее реактивное сопротивление заготовки вычисляется по следующей формуле:

(12)

- см. табл.

приm₂> 6

(13)

где А и В - расчетные коэффициенты см. в табл.4.

Таблица 3. Значения расчетных коэффициентов А и B

m2	A	B	m2	A	B	m2	A	B
0,0	0,0	1,0	3,0	0,36	0,5	10	0,13	0,14
0,5	0,03	0,99	3,5	0,33	0,41	15	0,09	0,09
1,0	0,12	0,98	4,0	0,29	0,36	20	0,071	0,071
1,5	0,25	0,91	5,0	0,24	0,28	25	0,057	0,057
2,0	0,34	0,77	6,0	0,21	0,24	30	0,047	0,047
2,5	0,38	0,62	8,0	0,16	0,18	40	0,035	0,035

(14)

(15)

где с₂ -удельное сопротивление циркония Омсм.

9. Реактивность рассеяния индуктора вычисляется по следующей формуле:

(16)

гдеS_n - площадь зазора между заготовкой и индуктирующим проводом, см².

10. Коэффициент приведения активного сопротивления заготовки вычисляется по следующей формуле:

(17)

(18)

(19)

гдеS₁ - площадь поперечного сечения индуктора, см²; k - поправочный коэффициент для цилиндрической заготовки.

(20)

11. Приведенное активное и реактивное сопротивление заготовки вычисляется по следующей формуле:

(21)

(22)

где - приведенное активное сопротивление заготовки; - приведенное реактивное сопротивление заготовки.

12. Активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктирующего провода. Обычно d₁> ?₁. Тогда:

(23)

где с₁ - удельное сопротивление меди Омсм; ?₁ - глубина проникновения тока в медь см; g - коэффициент заполнения индуктора медью по высоте (g = 0,75); r₁ - активное сопротивление индуктирующего провода Омсм; x_м1 - внутреннее реактивное сопротивление индуктирующего провода Омсм.

13. Эквивалентные активное, реактивное и полное сопротивления индуктора вычисляется по следующей формуле:

(24)

(25)

(26)

где - активное сопротивление индуктора Ом; - реактивное сопротивление индуктор Ом; - полное сопротивление индуктора Ом.

14. Электрический КПД индуктора вычисляется по следующей формуле:

(27)

15. Мощность, подводимая к индуктору в конце нагрева, вычисляется по следующей формуле:

(28)

16. Коэффициент мощности индуктора в конце нагрева вычисляется по следующей формуле:

(29)

17. Ток в одновитковом индукторе вычисляется по следующей формуле:

(30)

18. Напряжение на одновитковом индукторе вычисляется по следующей формуле:

(31)

19. Плотность тока в индукторе вычисляется по следующей формуле:

(36)

20. Размер трубки индуктирующего провода вычисляется по следующей формуле:

(32)

21. Полные потери в индукторе.

Полные потери в индукторе, вызывающие его нагрев, складываются из потерь ?Р_и и тепловых потерь ?Р_Т через тепловую изоляцию, воспринимаемых индуктирующим проводом вычисляются по следующей формуле

(33)

(34)

22. Расход охлаждающей воды.

Считая допустимой разность температур воды, входящей в индуктор и выходящей из него, ?Т_в = 30 К, имеем:

(35)

23. Скорость воды вычисляется по следующей формуле:

(41)

гдеs - площадь отверстия трубки, м².

24. Проверка на турбулентность.

Гидравлический диаметр вычисляется по следующей формуле:

(36)

гдеF - охлаждаемый периметр трубки, м.

Критерий Рейнольдса вычисляется по следующей формуле:

(37)

25. Перепад давления в трубке индуктора.

Коэффициент сопротивления при шероховатости 2-го рода

(38)

26. Длина трубки индуктора вычисляется по следующей формуле:

27.

(39)

(40)

Вывод: в ходе проведени расчетов были найдены, необходимые для коректной работы индукционной установки.



Заключение

Печи индукционные 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.

...