Канальные печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В плавильных отделениях литейных цехов применяют высокопроизводительные вагранки, дуговые и индукционные печи, миксеры, раздаточные устройства. Часть отливок подвергают обработке в термических печах. Материалы, используемые в литейном производстве, подсушивают в сушилах.

В зависимости от назначения печи литейных цехов можно подразделить на плавильные, нагревательные, сушильные(сушила).

Прототипом современных печей был костёр, который вначале использовали для приготовления пищи и обогрева жилища, а в дальнейшем для обжига глиняной посуды, получения металла, стекла и др.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ПЕЧИ

Канальные печи предназначены для перегрева стали.

Принцип работы печи основан на преобразовании электрической энергии в тепловую с помощью индукционного нагрева.

При протекании по катушке тока в окружающем пространстве возникает переменное электромагнитное поле. При воздействии поля на металлические тела последние нагреваются. Скорость нагрева зависит от теплофизических свойств нагреваемого металла и параметров магнитного и электрического полей.

Вокруг прямолинейного проводника при протекании по нему переменного электрического тока возникает изменяющееся во времени магнитное поле. Силовые линии этого поля представляют собой концентрические окружности, центр которых расположен на оси проводника. Наиболее плотно силовые магнитного поля расположены около проводника. Здесь магнитное поле имеет наибольшую напряжённость.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по виткам катушки, можно представить, как результат сложения полей, образованных отдельными круговыми проводниками, расположенными близко друг от друга.

Изменение магнитного поля всегда сопровождается появлением электрического поля. Силовые линии электрического поля замкнутые, т.е. возникающее электрическое поле является вихревым. То\акое поле вызывает в теле движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы.

Согласно закону электромагнитной индукции, во всех случаях, когда магнитный поток, проходящий сквозь поверхность, ограниченную контуром, изменяется во времени, в этом контуре индуктируется электродвижущая сила. Закон справедлив для любого замкнутого контура, образованного в проводнике, и в диэлектрике. В общем случае этот контур может быть и воображаемым контуром, расположенным частично в проходящей среде и частично в диэлектрике. В контуре, расположенном в проводящей среде, электродвижущая сила вызывает электрический ток.

Таким образом, если в переменное магнитное поле поместить предмет, в нём возникнет вихревое электрическое поле. Возникающий электрический ток называют вихревым или током Фуко. Вихревые токи нагреваю тело. Массивные тела имеют небольшое электрическое сопротивление, поэтому вихревые токи в них могут быть большими.

2. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ПЕЧИ, ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Канальная печь состоит из следующих узлов: каркас, магнитопровод, индуктор, механизм наклона, вентиляционная установка, индукционные единицы, токоподводы.

Каркас печи должен быть достаточно прочным и жестким. Его изготовляют из низкоуглеродистой стали (0,1% С) толщиной 30-70 мм. По всей поверхности каркаса просверлены отверстия диаметром 5мм с шагом 300мм, через которые удаляется пар. В нижней части каркаса имеются окна с фланцами, к которым присоединяют индукторы. Кожух ванны может быть выполнен достаточно прочным и жестким, что позволяет отказаться от каркаса. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклоненном положении.

Магнитопровод индуктора собирают из отдельных пластин трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. Размеры поперечного сечения стержня магнитопровода, зависят от мощности индуктора. После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Для уменьшения потерь от вихревых токов отдельные пластины изолированы друг от друга. Стяжные планки, шпильки, болты изолируют от пластин магнитопровода электрокартоном для предотвращения образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода.

Индуктор представляет собой выполненную из медного провода спиральную катушку. Катушка индуктора имеет круглое поперечное сечение, но в печах имеющих прямоугольный контур, катушка индуктора может повторять его форму. Индуктор канальной печи имеет принудительное воздушное или водяное охлаждение. При водяном охлаждении индуктор, изготовленный из профилированной медной трубки, желательно неравностенной, с толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) 10 - 15 мм; средняя плотность тока достигает 20 А/мм2. При воздушном охлаждении индуктор изготовлен из медного обмоточного провода прямоугольного сечения, средняя плотность тока составляет 2,5-4 А/ммІ. Индуктор, как правило, выполняется однослойным, в редких случаях - двухслойным. Последний значительно сложнее. Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует стандартному напряжению сети (220, 380 или 500 В). Форма витков индуктора обычно круговая, иногда состоят из прямолинейных отрезков, а сердечник всегда имеет прямоугольное сечение, витки индуктора также делаются прямоугольными. Витковое напряжение при малой мощности индукционной единицы составляет 7 - 10 В, а при большой мощности оно возрастает до 13 - 20 В. Когда печь не питается от специального регулируемого силового трансформатора, от нескольких крайних витков индуктора делаются отпайки. Индуктор имеет воздушное охлаждение катушки и водяное охлаждение корпуса и экрана. Индуктор крепят к каркасу печи с помощью болтов. Для лучшего отделения индуктора при снятии его с печи верхнюю часть его футеровки, предварительно покрывают тонким слоем неспекающейся массы.

Канальные печи малой емкости (до 150-200 кг) снабжаются обычно механизмом наклона с ручным приводом, ось наклона проходит вблизи центра тяжести печи. Ось наклона располагается у сливного носка. Наклон барабанных печей осуществляется путем поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. Крупные печи оборудуются механизмами наклона с гидравлическим приводом. При вертикальном положении печи леточное отверстие находится выше уровня жидкого металла, при повороте печи на катках оно оказывается под зеркалом ванны. Механизм наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи.

Вентиляционная установка. В печах небольшой емкости, не имеющих водяного охлаждения, вентиляционная установка служит для отвода тепла от индуктора и поверхности проема подового камня, нагреваемой за счет теплопроводности от расплавленного металла. Хотя современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но и водяное охлаждение кожухов и проемов подового камня, вентиляционная установка является обязательным элементом оборудования канальной печи. Масса вентиляционной установки может быть значительной, что приводит к существенному увеличению нагрузки на механизм наклона печи. Поэтому применяется и другая компоновка, при которой вентиляторы устанавливаются рядом с печью и соединяются с нею гибкими рукавами. Вместо гибких рукавов может использоваться воздуховод, состоящий их двух жестких участков, сочленяющихся с помощью поворотного стыка. При такой компоновке уменьшается нагрузка на механизм наклона. Вентиляторы с приводными двигателями часто устанавливаются на каркасе печи. При этом вентилятор соединяется с коробом, распределяющим воздух по вентилируемым проемам, коротким жестким воздуховодом. Выход из строя вентилятора может привести к аварии печи, поэтому вентиляционная установка должна иметь резервный вентилятор. Исключение составляют печи с индивидуальными вентиляторами на индукционных единицах. В электрооборудование печи входят трансформатор, конденсаторная батарея, дроссели, щиты и пульты управления, питающие кабели и т.д.

Индукционные единицы. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Отъемная индукционная единица состоит из следующих элементов: кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Токоподводы. Выполняют из труб, шин или в виде медных гибких водоохлаждаемых кабелей из скрученных проволочек, помещенных в резинотканевый рукав. Во избежание опасного прикосновения токоподводы должны быть надежно ограждены. Для уменьшения потерь в токоподводе конденсаторную компенсирующую батарею устанавливают поблизости от печи (рядом с печью или под рабочей площадкой).

3. ФУТЕРОВКА ПЕЧИ. ОГНЕУПОРНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Футеровка печи является основным и ответственным элементом, от которого зависят многие технико-экономические показатели, производительность и надежность ее работы. Футеровка ванны должна иметь высокую стойкость и длительный срок службы, хорошие теплоизоляционные свойства, чтобы повысить тепловой КПД печи. Применяемые огнеупорные и теплоизоляционные материалы должны обладать постоянством объема при обжиге и иметь минимальный температурный коэффициент расширения при нагреве, чтобы исключить возможность возникновения опасных термических и механических напряжений. Огнеупорный слой футеровки ванны должен противостоять высоким термическим, химическим и механическим нагрузкам. Огнеупорные материалы, должны обладать такими свойствами как высокая плотность, огнеупорность, термическая стойкость и иметь высокую механическую прочность. Толщина футеровки канальной печи должна быть минимальной, чтобы не ухудшать энергетических показателей печи. Малая толщина иногда приводит к чрезмерному ослаблению механической прочности футеровки. Одной из основных причин выхода из строя футеровки является проникновение расплавленного металла из канала подового камня на индуктор и кожух по трещинам в футеровке. Применяемые для футеровки электрических плавильных печей огнеупорные материалы по своему химическому характеру делятся на кислые, основные и нейтральные. К кислым огнеупорным материалам относятся кремнеземистые набивные массы с высоким содержанием окиси кремния (97 - 99 % SiO2), динас, а также шамот, содержащий не связанную с глиноземом окись кремния (Al2O3 менее 27 %). К основным материалам относятся огнеупоры, состоящие из окислов магния или кальция (магнезитовые, магнезитохромитовые и доломитовые огнеупоры). К нейтральным огнеупорным материалам относятся огнеупоры, которым характерно преимущественное содержание амфотерных окислов алюминия, циркония, а также окиси хрома. Огнеупорные материалы прежде всего должны обладать огнеупорностью, превышающей температуру расплавленного металла. Огнеупорная футеровка печи чаще всего разрушается в результате химического взаимодействия со шлаками и металлом, расплавляемыми в печи. При воздействии высоких температур большая часть огнеупоров уменьшается в объеме из-за дополнительного спекания и уплотнения, а некоторые (кварцит, динас) увеличиваются. Чрезмерное изменение в объеме может вызвать растрескивание, вспучивание и даже разрушение футеровки.

Печь футерована огнеупорами нескольких марок. Внутренний слой футеровки, соприкасающийся с жидким металлом, находится в наиболее тяжёлых условиях - подвержен большим механическим нагрузкам и химическим тепловым воздействиям. Внутренний слой футеровки печи должен иметь высокую механическую прочность, огнеупорность, шлакоустойчивость и термостойкость. Этот слой выполнен из заливной массы(бетона), содержащий до 90% Al2O3. Для следующего слоя применяют муллитовые огнеупоры.

Характеристика муллитовых огнеупорных материалов: Al2O3 - 60%, огнеупорность - 1650єС, температура начала деформации под нагрузкой - 1500єС, Предел прочности при сжатии - 80МПа, Пористость - 20%.

Для третьего слоя применяют обычный шамотный огнеупор. Характеристика шамотных огнеупорных материалов: огнеупорность - 1750єС, температура начала деформации под нагрузкой - 1400єС, Предел прочности при сжатии - 50МПа, Пористость - 30%, термическая стойкость - 15, Усадка при 1200-1400єС - 1%.

Термоизоляционные материалы применяют в виде формованных изделий, сыпучих материалов, мастик. Их подразделяют на естественные и искусственные. К естественным термоизоляционным материалам относят диатомит, перлит, асбест и др., к искусственным ? диатомитовый кирпич, совелит, шлаковую и стеклянную вату, известково-кремнеземистые плиты и др.

Для термоизоляционного слоя индукционной канальной печи применяют асбестовые плиты.

Асбест ? природный минерал волокнистого строения, применяется в виде листового картона, шнура и сыпучего материала.

Для футеровки индуктора применяют влажные или сухие огнеупорные массы. Влажные массы используют в виде заливных и набивных материалов. Заливные массы применяют при сложном профиле индуктора тогда, когда невозможно уплотнить набивную массу по всему объёму индуктора. Заливной массой заполняют сразу весь индуктор и уплотняют погружными электрическими вибраторами. Набивной массой заполняют индуктор послойно и послойно уплотняют пневматическими трамбовками. Сухие массы засыпают в индуктор и уплотняют электрическими высокочастотными вибраторами. Применение сухих масс для индукторов позволяет исключить процесс сушки индуктора перед его установкой в печь. При производстве стали футеровку индуктора изготавливают из магнезиальных огнеупорных масс.

Характеристика магнезиальных огнеупорных материалов: MgO - 98%, Огнеупорность - 2000єС, температура начала деформации под нагрузкой - 1660єС, предел прочность при сжатии - 44-57Мпа, термическая стойкость 1-2.

4. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧИ

канальная печь футеровка

Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу определяется по формуле, кВт,

Рпол = WтеорЧ?tЧП, (1)

где Wтеор - теоретический удельный расход энергии для перегрева металла на 1°С, кВт.ч/т, Wтеор = 0,21 кВт.ч/т;

?t - температура перегрева металла в печи, °С;

П - производительность печи, т/ч.

Рпол = 0,21Ч120Ч8= 201,6 кВт.

Активная мощность печи определяется по формуле, кВт,

Р = Рпол/?терм, (2)

где Рпол - полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу, кВт;

?терм - термический КПД печи, ?терм = 0,75.

Р = 201,6/0,75 = 268,8 кВт.

Активная мощность индуктора определяется по формуле, кВт,

Ринд = P/N, (3)

где Р - активная мощность печи, кВт;

N - число индукторов на печи.

Ринд = 268,8/2 = 134,4 кВт.

Площадь поперечного сечения стержня магнитопровода индуктора определяется по формуле, смІ,

Fмг = 0,3 , (4)

где Ринд - активная мощность индуктора, кВт.

? - коэффициент, учитывающий отношение массы стали магнитопровода к массе меди катушки индуктора; при воздушном охлаждении катушки ? = 8;

В - магнитная индукция в стержне магнитопровода, Тл;

- допустимая плотность электрического тока в катушке; при воздушном охлаждении менее 4 А/ммІ;

- коэффициент мощности индуктора = 0,4;

f - частота тока, Гц.

Fмг = 0,3= 29,5 смІ.

Диаметр стержня магнитопровода определяется по формуле, мм,

dмг = 11,3, (5)

где ? площадь поперечного сечения стержня магнитопровода индуктора, смІ.

- коэффициент заполнения окружности стержнем, 0,8;

dмг = 11,3 = 68,9 мм.

Наружный диаметр катушки определяется по формуле, мм,

dкат.= dмг+ 2Ч(+), (6)

где dмг - диаметр стержня магнитопровода, мм;

- толщина зазора между стержнем магнитопровода и катушкой, = 16 мм;

- толщина катушки, = 50 мм.

dкат.= 68,9+2Ч(16+50) = 200,9 мм.

Внутренний диаметр канала определяется по формуле, мм,

dк.в. = dкат+2Ч(+), (7)

где dкат - наружный диаметр катушки, мм;

- толщина футеровки между каналом и катушкой, = 95 мм;

- толщина зазора между катушкой и футеровкой, = 30 мм.

dк.в = 200,9+2Ч(95+30) = 450,9 мм.

Ширина канала. Принимаем ширину канала 100 мм, т.е. = 100 мм.

Длина канала. Длину канала находим по его средней линии. Длина криволинейной части канала мм, длина прямолинейной части канала мм,

Остановился

lк = 1960+2х280= мм. (8)

Площадь поперечного сечения канала определяется по формуле, мІ,

Fк = 10іЧРинд/(Ч lк), (9)

где Ринд ? активная мощность индуктора, кВт;

- плотность тока в канале, А/мІ; для латуни менее 9Ч;

- удельное электросопротивление металла, ОмЧм;

lк - длина канала, мм.

Fк = 10іЧ56/(6Ч)ІЧ30ЧЧ1,76 = 0,003 мІ.

Форма поперечного сечения канала. Примем канал в форме овала, тогда

= 110 мм, = 185 мм, Fк = 0,003 мІ.

Активное сопротивление канала определяется по формуле, Ом,

R = lк/Fк, (10)

где - удельное электросопротивление металла, ОмЧм;

lк - длина канала, мм;

Fк - площадь поперечного сечения канала, мІ.

R = 30ЧЧ1,76/0,003 = 0,18Ч Ом.

Внешняя индуктивность канала определяется по формуле, Гн,

Lвнешн = 2ЧЧln(), (11)

где - коэффициент, учитывающий рассеяние энергии индуктором в зависимости от индукции в стержне, мм;

lк - длина канала, мм;

? расстояние от оси канала до катушки плюс глубина проникания тока в катушку, = 186 мм;

- расстояние от оси канала до поверхности канала, = 55 мм.

Lвнешн = 2Чln() = 5,15Ч Гн.

Внутренняя индуктивность канала определяется по формуле, Гн,

Lв =/2, (12)

где lк - длина канала, мм.

Lв = = 0,88Ч Гн.

Индуктивность канала определяется по формуле, Гн,

L = Lвнешн+Lв, (13)

где Lвнешн - внешняя индуктивность канала, Гн;

Lв - внутренняя индуктивность канала, Гн.

L = 5,15Ч+0,88Ч = 6,03Ч Гн.

Индуктивное сопротивление канала определяется по формуле, Ом,

XL = 2ЧпЧfЧL, (14)

где f - частота тока, Гц;

L - индуктивность канала, Гн.

XL = 2Ч3,14Ч50Ч6,03Ч= 1,9Ч Ом.

Полное сопротивление канала определяется по формуле, Ом,

Z = , (15)

где R - активное сопротивление канала, Ом;

XL - индуктивное сопротивление канала, Ом.

Z = = 1,91 Ом.

Коэффициент мощности канала определяется по формуле,

= R/Z, (16)

где R - активное сопротивление канала, Ом;

Z - полное сопротивление канала, Ом.

= = 0,09.

Активное напряжение в канале определяется по формуле, В,

Uк.а. = , (17)

где Ринд ? активная мощность индуктора, кВт;

R - активное сопротивление канала, Ом.

Uк.а. = = 1 В.

Полное напряжение в канале определяется по формуле, В,

Uк = Uк.а./, (18)

где Uк.а. - активное напряжение в канале, В;

- коэффициент мощности индуктора, = 0,4.

Uк = 1/0,09 = 11,1 В.

Полная мощность индуктора определяется по формуле, кВЧА,

Sинд = Ринд/, (19)

где Ринд ? активная мощность индуктора, кВт;

- коэффициент мощности индуктора, = 0,4.

Sинд = 56/0,09 = 622,22 кВЧА.

Реактивная (индуктивная) мощность, выделяющаяся в индукторе определяется по формуле, квар,

Qинд = , (20)

где Sинд - полная мощность индуктора, кВЧА;

Ринд ? активная мощность индуктора, кВт.

Qинд = = 619,7 квар.

Полная мощность печи определяется по формуле, кВЧА,

S = NЧ Sинд, (21)

где N - количество индукторов;

Sинд - полная мощность индуктора, кВЧА.

S = 2Ч622,22 = 1244,44 кВЧА.

Реактивная (индуктивная) мощность печи определяется по формуле, квар,

Q = NЧ Qинд, (22)

где N - количество индукторов;

Qинд - реактивная мощность, квар.

Q = 2Ч619,7 = 1239, 4 квар.

Число витков катушки индуктора определяется по формуле,

n = U1/Uк, (23)

где U1 ? напряжение, подаваемое на катушку и зависящее от выбранного типа трансформатора, В;

Uк - полное напряжение в канале, В.

n = 245/11,1 = 22 витка.

Принимаем 24 витка. Для уменьшения длины катушки принимаем навивку в два слоя по 12 витков в каждом слое.

Сила тока в катушке определяется по формуле, А,

I1 = Sинд/ U1, (24)

где Sинд - полная мощность индуктора, кВЧА;

U1 ? напряжение, подаваемое на катушку и зависящее от выбранного типа трансформатора, В.

I1 = 622,22Ч10і/245 = 2539,67 А.

Площадь поперечного сечения витка катушки определяется по формуле, ммІ,

Fвит = /, (25)

где I1 - сила тока в катушке, А;

- допустимая плотность электрического тока в катушке; при воздушном охлаждении менее 4 А/ммІ.

Fвит = 2539,67/2 = 1269,84 ммІ.

Ширина bвит и высота витка hвит. Для изготовления катушки выбираем медный провод прямоугольного сечения 3Ч8 мм. Число проводов в витке 1269, 84/24 = 52, 91 ? 53 провода. С учётом изоляции принимаем bвит = 40 мм, hвит = 30 мм.

Длина катушки определяется по формуле, мм,

Lкат = bвитЧ п/kсл, (26)

где п - число слоёв;

kсл - число слоёв витков в катушке.

Lкат = 40Ч24/2 = 480 мм.

Ёмкость конденсаторной батареи индуктора (для компенсации ) определяется по формуле, мкФ,

С = ЧQинд/(2ЧпЧf), (27)

канальная печь футеровка

где Qинд - реактивная мощность, квар;

f - частота тока, Гц;

U1?напряжение, подаваемое на катушку и зависящее от выбранного типа трансформатора, В.

С = Ч619,7/(2Ч3,14Ч50Ч245І) = 3287,9 мкФ.

Размещено на Allbest.ru

...