Расчет и проектирование индукционных тигельных печей

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ВВЕДЕНИЕ

Для плавки металла на твердой завалке широко применяют тигельные индукционные печи. Такие печи удобны в эксплуатации, область их применения за последнее время значительно расширилась.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

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.

Индукционные печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических эффектов, возникающих в кольце металла вокруг индуктора, удельная мощность канальных печей ограничивается определенными пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах.

Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в результате взаимодействия магнитных печей металла и индуктора, оказывают в этих печах положительное воздействие на процесс, способствуя перемешиванию металла. Бессердечниковыеиндукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку).

1. ОПИСАНИЕ НАЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧИ

Индукционные печи - это установки, в которых применяется индукционный нагрев для плавки металлов (или других материалов).

Современная индукционная тигельная печь (рис. 1.1) состоит из следующих основных конструктивных элементов: корпуса с ферромагнитным или электромагнитным экраном, подины, крышки и слоя тепловой изоляции, индуктора с водяным охлаждением, изготовляемого из полой медной трубки, огнеупорной футеровки, вспомогательных устройств (механизма наклона печи, механизма поворота свода, контактного устройства).

Рисунок 1.1 Индукционная тигельная печь: а) - средней емкости (до 1т); б) - большой емкости (свыше 1 т); 1- футеровка; 2 - сигнализатор контроля состояния тигля; 3 - индуктор; 4 - корпус; 5 - свод; 6 - механизм подъема и поворота свода; 7 - внешний магнитопровод; 8 - механизм наклона печи

1.1 Корпус

Основой индукционной печи, объединяющей отдельные ее элементы в единое целое, является корпус. Его металлические части, находящиеся во внешнем магнитном поле индуктора, поглощают часть его активной мощности и нагреваются. Для снижения электрических потерь корпус печи изготовляют из немагнитных материалов. В печах малой мощности (до 1тонны) используют дерево или асбоцемент, соединяемые при помощи немагнитных крепежных изделий (латунные шпильки, накладки и т.д.). Корпуса печей большей емкости изготовляют полностью из немагнитной стали, меди, бронзы или алюминия в виде конструкций, не образующих замкнутых контуров.

Дальнейшее уменьшение электрических потерь внутри корпуса может быть достигнуто либо увеличением размеров корпуса печи, либо путем установки между корпусом печи и индуктором дополнительного магнитопровода (электрический экран), выполненного в виде металлической вставки из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением.

Для существенного снижения величины электрических потерь в корпусе печи можно использовать электромагнитный экран в виде замкнутого цилиндрического листа. Его выполняют из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий), толщиной равной 1,5…2,0 глубины проникновения тока и располагают между индуктором и корпусом печи.

1.2 Индуктор

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля заданной напряженности, который индуцирует ток в нагреваемых материалах. В процессе плавки индуктор испытывает радиальные электродинамические усилия, вызванные вибрациями, расширением футеровки, усилиями, возникающими при наклоне печи для слива металла. Кроме того, при расплавлении металла через индуктор проходит существенный тепловой поток от расплавляемого материала. Для предотвращения перегрева индуктора и преждевременного выхода его из строя применяется водяное охлаждение. Это позволяет уменьшить электрические потери и обеспечить надежную электроизоляцию и безаварийность работы агрегата.

Рисунок 1.2 Профили трубки индуктора: а) - круглый (ГОСТ 617-72); б) -овальный; в) -квадратный (ГОСТ 16774-71); г) - прямоугольный (ГОСТ 16774-71); д) -неравностенный (D -образный)

Индуктор изготовляют в виде однослойной цилиндрической катушки из медной полой трубки специального профиля (рис.1.2) (соленоида), витки которого укладываются или в виде спирали (спиральный индуктор) с постоянным углом наклона витков и заданным шагом навивки (рис.1.3,а) или в виде катушки, все витки которой располагаются в горизонтальных плоскостях, а переходы между соседними витками осуществляют наклонным участком (индуктор с транспозицией витков) (рис.1.3,б).

Жесткость конструкции индуктора может быть обеспечена двумя способами:

1. При наличии электроизоляционного промежутка между витками креплением каждого витка к независимым изоляционным стойкам с помощью приваренных к нему латунных шпилек.

2. Сжатием всех витков между двух плит из изоляционного материала с фиксацией вертикальными стойками. В этом случае витки между собой изолируют прокладками из пиканита, стеклоленты или обмазки.



Рисунок 1.3 Индукторы со спиральной навивкой (а) и с транспозицией (б)

Водяное охлаждение обеспечивает надежность отвода теплового потока от расплавленного металла через футеровку тигля при обеспечении следующих условий:

а) температура воды не должна превышать температуры выпадения солей жесткости (35…45оС) для предотвращения образования накипи внутри трубок и ухудшения теплоотвода от них;

б) температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающей среды. В противном случае будет происходить конденсация паров воды и запотевание индуктора, что может привести к пробою изоляции между витками;

в) напор потребляемой воды не должен превышать 2 атм. с целью обеспечения возможности использования обычной водопроводной воды. Для этого система водяного охлаждения может быть секционирована при параллельном соединении секций охлаждения.

1.3 Огнеупорная футеровка

Огнеупорная футеровка тигельной индукционной печи состоит из тигля, образующего плавильное пространство и определяющего емкость печи; подины, служащей основанием, на которое устанавливаются тигель и индуктор; леточной керамики (носка), предназначенной для формирования струи жидкого металла при сливе его из тигля; воротника, соединяющего тигель и леточную керамику; крышки, футерованной шамотными огнеупорами.

Тигль должен обеспечивать удобство ведения металлургического процесса при минимуме тепловых потерь, максимальном электрическом КПД и достаточную механическую прочность. Для удовлетворения этим требованиям, по практическим данным, соотношение среднего внутреннего диаметра тигля dо и высоты тигля h должно составлять do/h=0,6…1,0 при средней толщине стенки Дт=(0,1…0,25)do (рис.1.4).

Рисунок 1.4 Продольное сечение тигля

Для обеспечения механической прочности тигля, заполненного металлом, толщину его стенки по высоте делают переменной, а внутреннюю поверхность выполняют в виде конуса с углом наклона образующей б=2…4о. Сопряжение вертикальных стенок с днищем выполняется под углом 45…50о либо с плавным переходом.

Стойкость тигля определяет длительность работы печи между ремонтами. Во время плавки тигель испытывает тепловое, коррозионное и эрозионное воздействие жидкого металла, химической коррозии шлака, статическое давление столба жидкого металла, механические усилия при загрузке шихты и ведении плавки. Поэтому к огнеупорным свойствам и качеству футеровки предъявляют особые требования:

- материал тигля должен обладать высокой огнеупорностью и термостойкостью, химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;

- сохранять теплоизоляционные свойства и минимальную электропроводность во всем диапазоне рабочих температур;

- обладать механической прочностью в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического давления, значительных механических усилий при загрузке исходной шихты, обслуживании и чистке;

- иметь минимальную толщину стенок для обеспечения высокого электрического КПД;

- материал тигля должен иметь минимальный коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в его стенке при разогреве;

- технология изготовления и уход за тиглем должны обеспечивать высокую стойкость и минимальное количество экзо - и эндотермических включений в металл, обеспечивая стабильность ведения металлургического процесса.

Для индукционных тигельных печей можно применять кислую, основную и нейтральную огнеупорную футеровку. В зависимости от марки выплавляемого металла, уровня температур и особенностей технологии выбирают соответствующий состав футеровочных материалов.

Кислую футеровку изготовляют из кремнеземистых материалов (кварцита, кварцевого песка, молотого динасового кирпича) с содержанием SiO2 не менее 93…98%. В качестве связующей (упрочняющей) добавки используют сульфидно-целлюлозный экстракт с добавлением 1,0…1,5% борной кислоты в качестве минерализатора.

Стойкость кислых тиглей составляет 80…100 плавок.

Основную футеровку выполняют преимущественно из магнезита в предварительно спеченном или плавленном состоянии и обладающим высоким постоянством объема. В качестве связующего материала при изготовлении основной футеровки используют глину (3% от массы магнезита) с увлажнением ее водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12%).

Стойкость такой футеровки колеблется в пределах от 18…20 плавок до 40…50 плавок.

Нейтральная футеровка состоит в основном из аморфных оксидов (Al2O3, ZrO2, Cr2O3). Она характеризуется более высокими эксплуатационными показателями по сравнению с кислой и основной футеровкой. Однако стоимость ее изготовления существенно выше, что сдерживает более широкое применение таких материалов.

Футеровка индукционных печей может быть изготовлена одним из следующих методов:

1. Набивкой футеровочных материалов по стальному шаблону с формой внутренней поверхности печи непосредственно в ней. Шаблон устанавливается на подине строго по оси печи, а порошкообразные огнеупорные материалы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном послойно с последовательным уплотнением пневматической или электрической трамбовкой.

2. Изготовлением футеровки внепечным методом в виде спрессованного изделия на специальных прессах в прессформах. Тигли, изготовленные таким методом, помещают в индуктор печи и засыпают с боковой стороны порошкообразными огнеупорными материалами для придания определенной жесткости конструкции и предотвращения возможности прорыва жидкого металла к индуктору при нарушении целостности тигля. Такой метод позволяет сократить объем ремонтных работ и сроки их выполнения при смене тигля.

3. Изготовление футеровки из фасонных изделий. В этом случае необходимо предусмотреть возможность изготовления буферного слоя из огнеупорной засыпки толщиной 25…30 мм между индуктором и тиглем, способным компенсировать тепловые расширения основной массы футеровки при ее разогреве.

4. Послойная наварка футеровки путем торкретирования или плазменного напыления контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку. Такой метод позволяет получать химически чистую и компактную высокоогнеупорную поверхность футеровки со стороны металла.

Подина является основанием для размещения тигля и индуктора. С этой целью на нижнюю часть каркаса печи устанавливают рамку, закрепляя ее латунными шпильками, и на ней же располагают подовую плиту (подину) (рис.1.5), которую для небольших печей емкостью 50…100 кг изготовляют их шамотных блоков.

Рисунок 1.5 Устройство подины: 1- шамотные блоки; 2- накладки; 3- шпильки

Между блоками оставляют зазоры шириной 15 мм для компенсации тепловых расширений. Недостатком такого типа подин является трудность замены шамотных блоков и их относительная дороговизна.

Подину можно изготовлять из огнеупорного бетона, который заливают непосредственно на основание печи, покрытого асбоцементными листами или в опалубку.

В качестве материала подины могут быть использованы текстолитовые или асбоцементные плиты, а также фасонные шамотные кирпичи.

Леточная керамика предназначена для формирования струи металла при наклоне печи. Основной ее частью является носок, по которому течет металл.

Леточную керамику (рис.1.6) изготовляют из стандартных шамотных кирпичей (1), уложенных на огнеупорном растворе из молотого шамота и увлажненной глины на асбоцементную плиту (2), укрепленную на верхней раме каркаса. Носок (3) изготовляют в основном в виде сплошного шамотного блока соответствующей формы, а для печей малой емкости выдалбливают в кирпиче. Часть футеровки, обрамляющая проем над тиглем, называется воротником. Его часто накрывают асбоцементной плитой. Щели между блоками и тиглем заполняют обмазкой.

Рисунок 1.6 Леточная керамика индукционной печи: 1 - шамотные кирпичи; 2 - асбо-цементная плита; 3 - носок; 4 - воротник

Свод предназначен для снижения тепловых потерь с поверхности расплавленного металла. Для открытых печей свод выполняют откидывающимся из конструкционной стали, футерованной изнутри. Открывание крышки осуществляют либо вручную с помощью рычагов (печи малой емкости), либо с помощью специального привода (гидро- или электромеханического).

1.4 Механизм наклона тигля и поворота свода

Для слива металла из тигля после окончания плавки печь наклоняют на угол 95…100о. Для того чтобы уменьшить длину струи металла и не перемещать разливочный ковш вслед за изменением положения носка тигля, ось наклона печи располагают вблизи носка или непосредственно под ним.

Наклон печи производят одним из способов:

- с помощью ручного привода или рычагов (только для лабораторных установок);

- тельфера или другого подъемного механизма, установленного в цехе (рис.1.7,а). При этом крюк подъемного устройства закрепляют за специальную скобу, предусмотренную на каркасе печи;

- электромеханического привода, состоящего обычно из лектродвигателя, редуктора и цепной передачи, установленных на опорной раме печи;

- гидропривода, включающего маслонапорную установку для создания давления жидкости в системе, плунжеры и гидроцилиндры, шарнирно связанные с корпусом печи (рис.1.7,б). Для наклона печи на две стороны гидравлический механизм снабжается двумя парами цилиндров (рис.1.7,в).

Рисунок 1.7 Схемы механизмов наклона индукционных тигельных печей. 1 - ось наклона печи; 2 - опорная стойка; 3 - тельфер; 4 - цилиндр; 5 - плунжер; 6 - опора цилиндра; -----положение печи при наклоне

Последний вид механизма наклона получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и обеспечению плавности хода. Маслонапорную установку располагают обычно рядом с печью, вне рабочей площадки. Пульт управления размещают на рабочей площадке в месте удобном для наблюдения за процессом слива металла. Основным недостатком этого типа механизма следует считать необходимость иметь под печью значительное пространство для установки гидроцилиндров.

Для удобства снятия и закрытия герметичной крышки используют механизм поворота свода, который представляет собой простые рычажные или кулачковые приспособления, позволяющие легко приподнимать крышку на 1…2см, после чего отводить ее в сторону.

Для поворота свода печей большой емкости используют гидравлические цилиндры. Для уменьшения излучения из тигля над ним устанавливают футерованную крышку.

1.5 Контактное устройство

Контактное устройство соединяет индуктор с токоподводом и предусматривает возможность наклона печи во время разливки металла. Возможны два типа их конструкции: 1 - разъемное соединение; 2 - гибкое неразъемное соединение.

При использовании разъемного соединения подвижные контакты, установленные на корпусе печи, соприкасаются с неподвижными при нормальном вертикальном положении агрегата и выходят из соприкосновения при его наклоне. При наклоне подвижные контакты отходят в направлении, указанном стрелкой.

Рисунок 1.8 Конструкция разъемного соединения индуктора с токопроводом: 1 - подвижный контакт; 2 - неподвижный контакт

Для недопущения перегрева контактов их охлаждают водой.

Соединение индуктора с токоподводом при помощи гибкого кабеля значительно снижают энергетические потери, устраняют трудности подгонки подвижных и неподвижных контактов, не требуют заботы об их чистоте. В тоже время, этой форме соединения присущ ряд дефектов:

а) возникновение добавочных электрических потерь (до 10…20% активной мощности печи) за счет увеличения длины проводников;

б) увеличение затрат меди;

в) увеличение индуктивного сопротивления токопровода, что вызывает возрастание падения напряжения в токоподводящей сети.[1]

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА И ФУТЕРОВКИ ПЕЧИ

Рисунок 2.1 Эскиз к геометрическому расчету тигельной печи

Для проектирования имеем следующие данные:

1. Марка выплавляемого сплава - Латунь Л63

2. Количество печей на участке - 3 штуки.

3. Вместимость одной печи G=6 т.

4. Количество возврата в шихте - 18%.

Химический состав латуни Л63 по ГОСТ 15527-70:

Компоненты % Медь (Cu)............................ 62-65

Цинк (Zn)................................................................................. 0

Примеси, %, не более

Свинец (Pb)......................................................................... 0,07

Железо (Fe)........................................................................... 0,2

Сурьма (Sb)...................................................................... 0,005

Висмут (Bi)....................................................................... 0,002

Фосфор (P).......................................................................... 0,01

ВСЕГО................................................................................... 0,5

Полезный объем тигля, занимаемый жидким металлом:

, (2.1)

где Vт - полезный объем тигля, м3;

Gт - емкость тигля печи, т

н - плотность расплава, т/м3

Vт=6/8,44=0,71м3.

Принимая, что форму тигля можно представить в виде цилиндра диаметром d0 и высотой h1. В среднем для большинства печей, независимо от вида выплавляемого металла или сплава, емкости и типа печи А=0,85.

Средний (внутренний) диаметр тигля составляет:

(2.2)

м.

Высота загрузки тигля:

(2.3)

м.

Средняя толщина стенки тигля определяется по формуле

дт=6+Gт , (2.4)

дт=6+6=12 см=0,12 м

Внутренний диаметр индуктора определяется по формуле

Dи=d0ср+2[дт+(0,004…0,01)] (2.5)

Dи=0,916+2(0,12+0,005)=1,166 м

Высота внутренней полости тигля определяется по формуле

h1= (1,2…1,4) h (2.6)

h1=1,3•1,08=1,4 м

Высота индуктора (без учета холостых витков) определяется по формуле

hИ= (1,1…1,3) h (2.7)

hИ=1,2•1,08=1,3 м

Внутренний диаметр индуктора:

; (2.8)

где дф и диз - толщина футеровки и изоляции (диз=5…8мм). Примем 7 мм.

(2.9)

 м.

м

Внутренний диаметр магнитопровода оринтировочно определим из соотношения:

; (2.10)

• 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ
• Исходные данные для расчета: Марка сплава - Латунь Л63
• Вместимость одной печи G=6 т.
• Характеристики латуни Л63 [2]:
• Температура плавления............. tn = 905 C
• Температура разливки............. tp = 1020 C
• Плотность при t = 20 C = 8440 кг/м3
• Плотность в жидком состоянии................. ж = 8000 кг/м3
• Удельное сопротивление при t = 20 C.............. = 6,8·10-8 Ом·м
• Удельное сопротивление в жидком состоянии......... = 40·10-8 Ом·м
• Теплоемкость в диапазоне t=20…905C ……..... С1=0,4706 кДж/кг·град
• Теплоемкость в диапазоне t=905…1020C…..С2=0,4865 кДж/кг·град
• Скрытая теплота плавления..................... = 148,63 кДж/кг
• Удельное теплосодержание при температуре t=1020C q= 645•103 Дж/кг
• Энтальпия при температуре t = 1020C. cp =169 Вт·ч/кг
• 3.1 Расчет мощности
• Полезная мощность индукционной тигельной печи (ИТП) определяется по формуле
• (3.1)
• где Gm - емкость печи, т;
• q -раплавляемого металла при температуре разливки, Дж/кг;
• ф - время плавки.
• Полезную мощность ИТП можно найти и по формуле
• (3.2)
• где Gm - емкость печи, кг;
• сi - энтальпия при температуре разливки, кВт·ч/кг;
• ф - время плавки.

Для последующих расчетов принимаем РС=720 кВт.

3.2 Расчет частоты источника питания

При расчетах принимаем обозначение с20, сс, спл - соответственно удельное сопротивление при температурах 20оС, точки Кюри и температуре плавления.

Предварительный выбор частоты питающего тока осуществляется для случая, когда расплавившаяся шихта представляет собой сплошной цилиндр с диаметром равным среднему диаметру тигля dо и с параметрами: удельное сопротивление расплавленного металла сПЛ и магнитной проницаемостью м =1,0. Для выбранных условий частоту тока в индукторе ориентировочно определяют по формуле

 (3.3)

где d0 - средний диаметр тигля, м;

с=сПЛ - удельное сопротивление расплавленного металла, Ом·м.

Ближайшая частота машинных преобразователей частоты равна 50Гц.

Проверим величину аргумента для этой частоты для наиболее невыгодных параметров. При плавке немагнитной шихты - для момента начала плавки. В этом случае с=с20, м =1,0 и do=dш.

Глубина проникновения тока равна

(3.4)

Таким образом, частота 50 Гц не обеспечивает расплавление шихты. Минимальная частота тока ИТП определяется по формуле

при (3.5)

где сШ - удельное сопротивление шихты при худших условиях, (для немагнитной латуни сШ =с20=6,8•10-8 Ом·м);

м - относительная магнитная проницаемость шихты, м=1;

dШ , rШ- средний диаметр и радиус шихты, м.

Выбираем из ряда рекомендованных частот (50 , 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10 000 Гц) частоту f=500 Гц.

В качестве источника питания выбираем преобразователь с генератором с частотой тока 500 Гц, мощностью 1500 кВт, напряжением 1600/800 В, КПД зГЕН=0,86 и электродвигателем мощностью 350 кВт, напряжением 6000/3000 В, 2900 об/мин, КПД здв=0,927. Характеристики выбранного источника питания соответствуют данным для индукционной тигельной печи ИЛТ-6/1,6 для плавки меди и ее сплавов.

Тип печи	Вместимость, т	Мощность установленная, кВА,	Мощность потребляемая, кВт	Частота, тока Гц	Число фаз питающей сети	Номинальное напряжение сети	Температура перегрева металла, 0С
ИЛТ-6/1,6	6	1600	1400	50	3	10,0 или 6,0	1200

3.3 Расчет параметров системы «индуктор-металл»

Глубина проникновения тока в материал загрузки определяется в горячем режиме работы печи (с=сПЛ=40•10-8 Ом•м) по формуле

(3.6)



Отношение диаметра тигля к глубине проникновения тока

В соответствии с данными рис.3.1 поправочные коэффициенты kМр и kMQ равны единице и PC=QC.

Полный коэффициент магнитного рассеивания найдем по формуле

(3.7)

(3.8)

Рисунок 3.1 Кривые для определения поправочных коэффициентов при расчете потоков активной kмР и реактивной kмQ мощностей, проходящих через наружную поверхность садки нагреваемого материала D

Рисунок 3.2 Номограмма для определения коэффициента магнитного рассеивания

Для геометрических соотношений данного расчета

из данных рис.3.2 получаем коэффициент магнитного рассеивания k'МР=0,875. С учетом поправки

Настил тока определяем по формуле

(3.9)

где РМ - мощность, выделяемая в металле, кВт; (РМ=РС=720 кВт);

f - частота питающего тока, Гц (f=500 Гц).

Реактивная мощность в металле числено равна активной мощности в нем, т.е.

QС=РС=720 кВА.

Реактивная мощность в зазоре определяется по формуле

(3.10)

Рисунок 3.3 Кривые для определения поправочных коэффициентов kИР и kИQ

Для определения активной и реактивной мощности в индукторе по данным рис.3.3 находим величины kИР и kИQ при

.

Тогда kИР=kИQ=1 и РИ=QИ.

Активная мощность в индукторе находится по формуле

(3.11)

где kИР - поправочный коэффициент активной мощности, учитывающий кривизну индуктора;

kЗ - коэффициент заполнения индуктора, kЗ=0,7…0,9. Примем 0,9;

сИ - удельное сопротивление материала индуктора, (для меди сИ=2,0•10-8 Ом·м);

Рективная мощность в индукторе

QИ=РИ=349,7 кВА.

Общая активная мощность системы «индуктор-металл» равна

Общая реактивная мощность системы «индуктор-металл» равна

Полная мощность системы «индуктор-металл» по формуле

(3.12)

Ток в индукторе определим по формуле

(3.13)

Напряжение выбранного преобразователя 1600/800 В. Чтобы напряжение на индукторе не превосходило номинального напряжения конденсаторов, выберем напряжение преобразователя 1600 В, конденсаторы 500 или 1000 В с соволовой изоляцией, соединенные попарно последовательно. Напряжение на индукторе в таком случае UИ=2000 В. Преобразователь частоты в первый период присоединяется к крайним виткам индуктора, а после расплава - к такому числу витков щПР, при котором напряжение на полюсах индуктора не превысит 2000 В. Поэтому напряжение на индукторе в первый период UИ=UПР=1600 В, а ток в индукторе I1, во второй период UИ=2000 В, а ток в индукторе I2 составит по формуле (3.13)

Для такого подключения удельное число витков индуктора

(3.14)

Полное число витков индуктора

Тогда число витков, присоединяемых к источнику питания во второй период плавки, равно

 (3.15)

Шаг витка составит

Изоляционный промежуток между витками найдем по формуле

(3.16)

Примем ?ИЗ=6 мм. Тогда высота витка равна

А коэффициент заполнения индуктора (предварительно было принято kЗ=0,9)

Толщина стенки трубки индуктора определяется из условия минимальных электрических потерь в нем

(3.17)

Выбираем медную трубку круглого сечения диаметром 100 мм с толщиной стенки 8 мм (ГОСТ 617-2006).

Средняя по сечению трубки плотность тока составит

(3.18)

Электрический КПД системы «индуктор-металл» равен

(3.19)

Для сравнения определим величину предельного электрического КПД

 (3.20)

Естественный коэффициент мощности cosц определим по отношению активной мощности системы к полной мощности системы «индуктор-металл»

Емкость конденсаторной батареи, необходимую для полной компенсации реактивной мощности, определим по формуле

(3.21)

где Q - реактивная мощность системы «индуктор-металл», кВА;

UК - напряжение на конденсаторах, В.

Реактивная мощность каждого конденсатора составляет 220кВА. Каждая из четырех секций конденсатора имеет емкость 14мкф и рассчитана на 500 В.

При 1000 В секции соединяются попарно последовательно и их мощность составит

Потребное количество конденсаторных элементов равно

С учетом запаса (2 шт), принимаем nК=468 шт с емкостью батареи 468*14=6552 мкф.

3.4 Расчет охлаждения индуктора

Потери теплоты, удаляемые охлаждающей водой, которая циркулирует в индукторе, состоят из активных потерь Ри и теплоты вследствие теплопроводности от горячей садки к индуктору.

Принимаем нейтральную футеровку, для которой коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,75-0,85 Вт/(м2·град). Для средней температуры принимаем л = 0,8 Вт/(м2·град). Перепад температур по сечению стенки тигля составляет 1000 оС.

Тепловые потери найдем по формуле

(3.22)

где DИ - наружный диаметр тигля, м;

ТВН - ТНАР - перепад температур в стенке тигля, 0С;

л - коэффициент теплопроводности тигля, Вт/(м2•град).

Электрические потери в индукторе равны Ри = 349,7 кВт.

Полные тепловые потери на охлаждение составляют

Необходимое количество охлаждающей воды по формуле

(3.23)

где ТВЫХ - температура охлаждающей воды, выходящей из индуктора, 0С.

Проверяем, какое количество тепла может отвести охлаждающая вода. Для определения режима движения рассчитаем критерий Рейнольдса по выражению

(3.24)

где VВ - скорость движения охлаждающей воды в секции, м/с;

dТР.Э - эквивалентный внутренний диаметр трубки индуктора, м;

нВ - коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с.

Cкорость Vв воды в индукторе определяется по формуле

(3.25)

где SТР.В - площадь поперечного сечения отверстия трубки индуктора, м2; nСЕК - количество секций охлаждения. Практические данные показывают, что скорость движения воды должна составлять не менее 1,5 м/с. Предварительно количество секций может быть установлено

(3.26)

Действительная скорость воды в индукторе при одной секции охлаждения в индукторе и сечении

Ориентировочно число секций охлаждения индуктора найдем по формуле (3.26)

Тогда скорость воды в каждой секции составит

Температура, 0С	Коэффициент теплопроводности л, кДж/м·ч·град	Коэффициент кинематической вязкости н•106, м2/с	Коэффициент Температуропроводности а•104, м2/ч	Pr
0	1,985	1,79	4,7	13,7
10	2,068	1,30	1,9	9,56
20	2,156	1,00	5,1	7,06
30	2,223	0,805	5,3	5,50
40	2,282	0,659	5,5	4,30
50	2,332	0,566	5,6	3,56

нВ= 0,85375•10-6 м2/с.

Эквивалентный внутренний диаметр трубки круглого сечения равен действительному внутреннему диаметру dтр.э = dтр.в = 84 мм=0,084 м.

В соответствии с полученными данными по формуле (3.24)

что соответствует турбулентному режиму движению.

Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле

(3.27)

Значения коэффициентов теплопроводности лв и температуропроводности ав выбираем по таблице 3.1 при температуре 27,5 оС (лв = 2,21 кДж/м·ч·град; ав = 5,26·10-4 м2/ч).4

Количество теплоты, которое может быть отведено от индуктора охлаждающей водой, определяем по выражению

(3.28)

где бТ.Т - коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2•К);

FОХЛ - поверхность теплоотдачи индуктора, м2;

ТИ - температура трубки индуктора, 0С. Обычно принимают ТИ=500С.

ТВ - средняя температура охлаждающей воды, 0С.

Поверхность теплоотдачи Fохл вычисляем по формуле

(3.29)

где щ - количество витков индуктора.

Это значение не превышает действительные потери теплоты Рп.охл = 427,9 кВт. Имеем РОТВ<РП.ОХЛ.

При этом изменение давления воды в индукторе рассчитываем по формуле

(3.30)

где о - коэффициент трения, зависящий от критерия Рейнольдса;

kШ - коэффициент увеличения сопротивления, вызванный шероховатостью внутренней поверхности трубки;

опов - коэффициент местного сопротивления;

g - ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с2.

Коэффициент трения о при турбулентном движении используют формулу Никурадзе

 (3.31)

Коэффициент kШ учитывает изменение шероховатости внутренней поверхности трубок в процессе эксплуатации. Обычно kШ=1,8…2,5; принимаем равным 2,5. Коэффициент сопротивления повороту струи опов=0,1316 (для критерия Рейнольдса Re = 72513 и отношения DИ/dТР.Э=1,18/0,084=14 берем из таблицы 3.2).

DИ/dТР.Э	Критерий Рейнольдса
	3000	10000	50000	100000	250000	500000
8	0,400	0,270	0,184	0,161	0,1393	0,1273
10	0,391	0,264	0,180	0,1573	0,1362	0,1246
12	0,344	0,218	0,1485	0,1298	0,1124	0,1030
15	0,294	0,198	0,135	0,118	0,1024	0,0936
20	0,254	0,1715	0,117	0,1023	0,0885	0,0812

Тогда по формуле (3.30)

1,936 мм вод. ст.

По практическим данным величина перепада давления не должна превышать 20 мм вод. ст. Т.е. количество секций охлаждения

(3.32)

• 4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСОВ ПЕЧИ
• 4.1 Энергетический баланс печи
• По величине выделяемых мощностей и потерь в печи можно установить приближенный энергетический баланс, в котором мощность, забираемая индукционной установкой из сети РС, расходуется следующим образом:
• (4.1)
• где - полезно используемая мощность, кВт;
• - тепловые потери индуктора, кВт;
• - потери в индукторе, кВт;
• - потери в экранах (магнитопроводах или кожухе печи), кВт;
• - потери в конденсаторной батарее, кВт;
• - потери в токопроводе, кВт;
• - потери в источнике питания (преобразователе), кВт.
• а) Потери в индукторе уже определены и составляют Ри=349,7 кВт.
• б) Потери в токопроводе принимаем равными 15% активной мощности (предполагая, что соединение печи с токоподводом осуществляется гибкими проводами РТПР = 0,15• 1069,7=160,455 кВт.
• в) Потери тепла в конденсаторной батарее определяем по формуле
•  (4.2)
• Для выбранных конденсаторов по каталогам tgд=0,003, тогда
• г) Тепловые потери индуктора
• РТ.П.=(1,4…1,5)•РТП=1,45•78,2=113,4кВт (4.3)
• Активная мощность, забираемая от преобразователя, составит:
• КПД преобразователя
• (4.4)
• Потери в преобразователе при его КПД составляют
• (4.5)
• Активная мощность, забираемая преобразователем из сети, составляет
• На основании расчетов составим энергетический баланс индукционной тигельной печи (таблица 4.1).
• Сводный энергетический баланс индукционной тигельной печи

Приход	Расход
Величина мощности	кВт	%	Величина мощности	кВт	%
Активная мощность из сети РС	1620	100	Потери в преобразователе, РП.ПР	328,5	20,28
Итого:	1620	100	Потери в токопроводе, РТПР	160,455	9,9
	Потери в конденсаторной батарее, РК.Б	61,37	3,79
	Потери в индукторе, РИ	349,7	21,59
	Тепловые потери индуктора, РТ.П	113,4	7,0
	Полезно используемая мощность, РПОЛ=РС-РТ.П	720-113,4=606,6	37,44
	Итого:	1620,025	100

• Погрешность
• 4.2 Материальный баланс печи
• Латунь Л63 (ГОСТ 15527-2004) хорошо полируется, подается изгибам, чеканке, прокатке, волочению.

Медь (ГОСТ 859-2001) кладется в тигли в самом начале производственного процесса, цинк (ГОСТ 3640-94) кусками добавляется после того как только медь начинает плавиться. Возврат загружают после расплавления меди и введения остальных элементов. В качестве флюса можно применять битое стекло и буру.

Химический состав шихты для выплавки латуни Л63

Составляющие шихты	Содержание элементов, %
	Cu	Zn	Pb	Fe
Латунь Л63	63	36,73	0,07	0,2
Медь чушками	99,99	0,003	0,003	0,004
Цинк чушками	0,001	99,981	0,013	0,005
Возврат	63	36,73	0,07	0,2

Определяем количество возврата в шихте

(4.6)

где %возвр. - возврат шихты, %

Количество требуемой шихты, за вычетом возврата

Определяем массу отдельных элементов, вносимых шихтой, кг:

(4.7)

где [Э] - содержание элемента в сплаве, %

На основании расчетов составим таблицу 4.3.

Сводный материальный баланс индукционной тигельной печи

Приход	Расход
	кг	%		кг	%
Возврат	1080	18	Возврат	1080	18
Cu	3099,6	51,66	Латунь Л63	4920	82
Zn	1807,116	30,1186
Pb	3,444	0,0574
Fe	9,84	0,164
Итого:	6000	100	Итого:	6000	100

5. ОПИСАНИЕ НАЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗООЧИСТКИ И ИХ ЭСКИЗЫ

Процесс очистки газа включает в себя следующие четыре основных шага:

1. Охлаждение

2. Конденсация

3. Очистка от частиц

4. Сбор аэрозоля

Рисунок 5.1 Принципиальная схема очистки газа 1 - источник загрязнения, 2 - пылезаборное устройство, 3 - воздуховоды, 4 - аппарат для вынужденной подачи загрязненного воздуха, 5 - пылеуловитель; 6 - аппарат для улавливания химических веществ, 7 - запорная арматура, 8 - вытяжная или дымовая труба

Очистку газов от электросталеплавильных печей осуществляют мокрым способом в скоростных пылеуловителях с высоконапорными трубами Вентури и сухим способом в пластинчатых многопольных электрофильтрах или тканевых рукавных фильтрах. Предпочтение отдают очистке газов в электрофильтре как наиболее эффективному способу с наименьшими эксплуатационными расходами.

Для улавливания запыленных газов над электропечью устанавливают зонты (рисунок 5.2) или используют бортовые отсосы. От большегрузочных печей (25 т и более) запыленный газ удаляют через патрубок и свод печи. Кроме того, в новых цехах улавливают и подвергают очистке так называемые неорганизованные выбросы, т.е. газы, которые попали в цех в период заливки чугуна, завалки шихты и выпуска стали.

Рисунок 5.2 Схема раздельной очистки газов, отводимых от электропечи через зонт под фонарем цеха

Газ отводят от печи 1 через водоохлаждаемый патрубок, расположенный в своде печи. Между патрубком 2 и газоотводящим трубопроводом имеется воздушный зазор, дающий возможность регулировать количество отсасываемого газа и наклонять печь. Величину этого зазора регулируют муфтой 5, которая может перемещаться с помощью электропривода. После дожигания окись углерода в камере 3 газ охлаждают в устройстве 4. Дожигание и охлаждение газа осуществляют атмосферным воздухом, который поступает в камеру дожигания через клапан 6, а в камеру охлаждения через клапан 7. Далее газ отводят в систему газоочистки по газопроводу, снабженному клапаном 10, которым регулируют количество газа. В кровле под фонарем установлен зонт 8, через который удаляют неорганизованные выбросы. Количество отсасываемого газа регулируют с помощю клапана 9.

Схемы очистки газов, удаляемых непосредственно из печи через подфонарный зонт, могут быть раздельными или совмещенным.

В связи со значительным разбавлением газов, достигающих крыши входное отверстие вытяжного зонта стремятся устанавливать как можно ближе к печи. Однако возможность уменьшения расстояния между зонтом и печью ограничена необходимостью пространства для хода крана, снятия свода, наклона печи и т.д. Форму зонта выбирают с учетом профиля крыши и расчетом, чтобы восходящий поток не отрикался от его внутренней поверхности. Фланец треугольного сечения, расположенный по периметру кромки зонта, создает наиболее благоприятные аэродинамические условия для эффективного захвата газов, кроме того, на нем не образуется отложений пыли. Угол раскрытия зонта желателен 60°.

Для очистки ваграночных газов более эффективны скоростные пылеуловители с трубами Вентури (рис.5.4), электрофильтры (рис.5.3.) и тканевые фильтры (рис.5.5). Они обеспечивают необходимую степень очистки. При их использовании газы предварительно охлаждают за счет подсоса в газовый тракт атмосферного воздуха, орошения их мелко распыленной водой в газоходе или в полом скруббере.

Рисунок 5.3 Схема системы очистки газов с использованием пластинчатого электрофильтра: 1-дуговая сталеплавильная печь; 2 -пластинчатый электрофильтр; 3 - дымосос; 4 - дымовая труба

Рисунок 5.4 Схема системы очистки газов с использованием скруббера Вентури: 1- дуговая сталеплавильная печь; 2 -скруббер Вентури; 3 - дымосос; 4 - дымовая труба



Рисунок 5.5 Схема системы очистки газов с использованием рукавного фильтра: 1- дуговая сталеплавильная печь; 2 -рукавный фильтр; 3 - дымосос; 4 - дымовая труба

5.1 Описание аппаратов для очистки газов

Тканевый фильтр (рис. 5.6) состоит из корпуса цилиндрической или прямоугольной формы, выполненного из листовой стали. Существенным элементом корпуса является бункер, имеющий коническую или пирамидальную форму, угол наклона стенок которого должен быть больше угла естественного откоса улавливаемой пыли. В нижней части бункера устанавливаются шнековый или скребковый транспортер и шлюзовой затвор, предназначенные для выгрузки уловленной пыли. Бункер и корпус разделены горизонтальной решеткой, в которой сделаны отверстия с патрубками для крепления рукавов. Корпус вертикальными стенками разделяется на секции. В секциях прямыми рядами или в шахматном порядке размещаются рукава; отношение длины рукава к диаметру -- от 15 до 40.

На корпусе находятся механизм управления регенерацией, клапанная коробка переключения секций на продувку с калорифером для подачи в фильтр (во избежание залипания фильтровального материала) подогретого продувочного воздуха, а также коллекторы, через которые запыленный газ и продувочный воздух подводятся к фильтру, а очищенный воздух отводится от него.

Главным элементом такого фильтра является рукав, изготовленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разделен на несколько герметизированных камер, в каждой из которых размещено по нескольку рукавов. Газ, подлежащий очистке, подводится в нижнюю часть каждой камеры и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в камеру, откуда через открытый выпускной клапан поступает в газопровод чистого газа. Частицы пыли, содержащиеся в неочищенном газе, оседают на внутренней поверхности рукава, в результате чего сопротивление рукава проходу газа постепенно увеличивается. Когда оно достигнет некоторого предельного (по условиям тяги) значения, фильтр переводится на режим регенерации, т. е. рукава освобождаются от осевшей на них пыли.

Рисунок 5.6 Общий вид рукавного фильтра: 1 -- вход пылегазового потока; 2 -- газораспределительное устройство; 3--бункер; 4 -- рукава, 5 -- воздушные сопла; 6 -- коллектор сжатого воздуха; 7 -- воздуховоды; 8 -- выход чистого газа

Регенерация осуществляется обратной продувкой. Продувочный воздух от вентилятора направляют внутрь камеры через открытый продувочный клапан (выпускной клапан закрыт). Фильтруясь через рукав в обратном направлении, воздух разрушает образовавшийся на внутренней поверхности рукава слой пыли, которая падает в бункер, откуда удаляется при помощи шнека или другого устройства. Отработавший продувочный воздух через подводящий газ патрубок поступает в газопровод неочищенного газа. Одновременно с обратной продувкой осуществляется встряхивание рукавов, для этого используется специальный встряхивающий механизм, перемещающий вверх и вниз крышку, к которой крепится рукав. Камеры фильтра переводят на регенерацию по очереди, и, следовательно, фильтр все время находится в работе.

Скоростные (турбулентные) пылеуловители

Принцип действия СПУ заключается в следующем. Вода, вводимая в поток запыленных газов, движущихся с высокой скоростью (обычно 70--100 и более м/с), дробится на мелкие капли. Необходимая для дробления жидкости энергия заимствуется в основном у газового потока. Высокая степень турбулентности газового потока способствует дроблению жидкости и столкновениям частиц с каплями жидкости. Относительно крупные капли жидкости вместе с частицами пыли легко улавливаются затем в простейших пылеуловителях (например, в мокрых циклонах).

Для разгона газового потока в газопровод встраивают конфузор, переходящий в небольшой участок цилиндрической формы (горловину), где газы движутся с наибольшей скоростью. Затем газы расширяются в диффузоре и их скорость снижается. Конфузор, горловина и диффузор образуют скоростной (турбулентный) распылитель. Вид распылителя круглого сечения (применяют также распылители прямоугольного сечения); скоростной распылитель и циклон составляют СПУ, а на рис. 5.7 показана установка пылеуловителя с трубой Вентури.

Рисунок 5.7 Скоростной распылитель с периферийной подачей жидкости (нормаль Гипроцветмета)

Электростатические фильтры.

Предназначены для очистки промышленных газов, действие которых основано на создании электрических зарядов на частицах пыли и их осаждении на электродах. Использование этих фильтров нового поколения позволяет автоматизировать процесс управления и увеличить межремонтный период на 30%. Встряхивание осадительных и коронирующих электродов ударно-молотковое. Электрофильтры снабжены механизмами встряхивания электродов, удаления осажденной пыли (в сухих электрофильтрах) или форсунками для смыва пыли (в мокрых электрофильтрах). Наиболее распространены вертикальные электрофильтры. Коэффициент очистки 98%. Производительность до 300 тыс. м3 /ч.

Рисунок 5.8 Электростатический фильтр

Дымовые трубы

Рисунок 5.9 Дымовая труба

индукционный печь плавка газоочистка

Принцип работы дымовых труб связан с естественной конвекцией, возникающей за счет разности температур (и плотностей) газов и окружающего воздуха. Это позволяет всей системе очистки работать на естественной тяге выхлопных или дымовых газов. В тех случаях, когда перепад давления на трубе недостаточен для преодоления внутреннего газодинамического сопротивления всех газоходов и устройств возникает необходимость использования специальных газодувных машин (вентиляторов или дымоотсосов).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В.И.Матюхин. Конструкция и расчет индукционных тигельных печей: Учебное пособие/ В.И.Матюхин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 61с.

2. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов / под ред. Л. Е. Миллера. М. : Гос. науч.-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1961. 872 с.

3. Конструирование и расчет индукционых плавильных печей : учебное пособие / С. В. Карелов [и др.]. - Екатеринбург : УрФУ, 2014. - 162 с.

4. Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи : учеб. пособие для вузов / А. М. Вайнберг. М. : Энергия, 1967. 416 с.

Размещено на Аllbеst.ru

...