Разработка конструкции индукционной чугуноплавильной тигельной печи ИЧТ-6

Содержание

Введение

. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

. Определение геометрических размеров системы «индуктор-металл»

. Тепловой расчет

.1 Определение полезной энергии

.2 Определение тепловых потерь

.2.1 Тепловые потери через стенку тигля

.2.2 Расчет тепловых потерь излучением с зеркала ванны жидкого металла

.2.3 Расчет тепловых потерь через свод тигля

.2.4 Тепловые потери через под тигля

.2.5 Расчет суммарных тепловых потерь

.2.6 Определение активной мощности, выделяемой в металле

. Электрический расчет

.1 Обоснование рабочей частоты тока

.2 Расчет электрических параметров

.3 Расчет конденсаторной батареи

. Составление энергетического баланса

Заключение

Литература

Введение

Индукционные плавильные печи имеют индуктор - катушку, подключаемую к сети переменного тока. При протекании по катушке тока в окружающем ее пространстве возникает переменное электромагнитное поле. При воздействии переменного поля на металлические тела последние нагреваются. Скорость нагрева зависит от теплофизических свойств нагреваемого металла и параметров магнитного и электрического поля.

Основной физической характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В, Тл. Характеристикой магнитного поля служит также напряженность Н магнитного поля (А/м). Магнитная индукция и напряженность поля связаны между собой соотношением:

;

где m- магнитная проницаемость вещества.

m₀- абсолютная магнитная проницаемость, равная .

Количество энергии, передаваемое магнитным полем, связано с магнитным потоком. В однородном магнитном поле магнитный поток равен произведению магнитной индукции на площадь:

Вокруг прямолинейного проводника при протекании по нему переменного электрического тока возникает изменяющееся во времени (по величине и направлению) магнитное поле. Силовые линии этого поля представляют собой концентрические окружности, центр которых расположен на оси проводника. Наиболее плотно силовые линии магнитного поля расположены около проводника. Здесь магнитное поле имеет наибольшую напряженность. Напряженность магнитного поля в пространстве вокруг проводника:

где I- сила тока в проводнике, А;расстояние от оси проводника, м.

При значительном расстоянии между двумя прямолинейными проводниками их магнитные поля практически не взаимодействуют между собой. Однако, если расстояние между проводниками мало, их магнитные поля влияют друг на друга. Если вектора магнитной индукции полей имеют одинаковое направление, то взаимодействие полей приводит к увеличению магнитной индукции суммарного поля. Если направление векторов противоположно, то результатом взаимодействия полей будет уменьшение магнитной индукции поля.

Изменение магнитного поля всегда сопровождается появлением электрического поля. Интенсивность электрического поля Е. Силовые линии электрического поля расположены в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям магнитного поля. Силовые линии электрического поля замкнутые, т.е. возникающее электрическое поле является вихревым. Такое поле вызывает в теле движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы. В контуре, расположенном в проводящей среде, ЭДС вызывает электрический ток. ЭДС не зависит от рода вещества и его физического состояния, а зависит от магнитного потока и скорости его изменения.

Значение наведенного в теле электрического напряжения:

где f- частота тока, питающего индуктор, Гц;

Ф- максимальное значение магнитного потока, Вб.

Таким образом, если в переменное магнитное поле поместить предмет, то в нем возникают вихревое электрическое поле. Возникающий электрический ток называют вихревым, или током Фуко.

Вихревые токи нагревают тело. Массивные тела имеют небольшое электрическое сопротивление, поэтому вихревые токи в них могут быть очень большими.

Переменный ток в отличие от постоянного распределяется по сечению проводника неравномерно. Чем больше частота тока, диаметр проводника, его электрическая проводимость и магнитная проницаемость, тем более неравномерно распределяется ток по сечению. При очень высоких частотах и больших диаметрах проводника практически весь ток проходит только в тонком поверхностном слое проводника. Для упрощения расчетов считают, что в проводнике ток течет лишь в поверхностном слое толщиной D. Глубину проникания тока определяют по формуле:

где r- удельное электросопротивление нагреваемого тела,

m- магнитная проницаемость нагреваемого тела;частота тока, питающего индуктор, Гц.

Величина электрического тока зависит от электрического сопротивления проводника, поэтому важно знать размеры площади проводника.

1. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

В индукционных тигельных печах плавят чугун, сталь, медь, бронзу, алюминий и т.д.

Принцип действия тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. И как описывалось выше: под действием возникающей ЭДС в металле течёт ток, металл нагревается и плавится.

Внутри индуктора расположен тигель из огнеупорного материала. Внутреннее пространство тигля заполняется расплавленным металлом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого металла. Толщина стенки тигля, т.е. расстояние между индуктором и жидким металлом, влияет на электрические параметры печи: чем толще стенка, тем больше количество магнитных силовых линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве металла и тем, следовательно, меньше cosφ печи. У тигельных печей cosφ=0,005…0,2.

При протекании электрического тока по индуктору энергия из сети расходуется на создание магнитного поля. Часть энергии поля затрачивается на нагрев металлических тел, находящихся в том поле, а остальная часть возвращается обратно в электрическую сеть. С точки зрения рационального использования электрической сети целесообразно потреблять из сети столько энергии, сколько её необходимо для осуществления нагрева. Однако работа индукционной печи невозможно без создания магнитного поля, поэтому количество энергии, подводимой к индуктору, всегда больше количества энергии, расходуемой на нагрев.

Принято количество энергии, взятой из электрической сети, называть полной мощностью S, часть энергии, израсходованной на нагрев,- активной мощностью P, а часть энергии, возвращаемой в сеть - реактивной (индуктивной) мощностью Q. Полную мощность измеряют в вольт-амперах или киловольт-амперах .Реактивную мощность измеряют в вольт-амперах реактивных или киловольт-амперах реактивных.

Полная, активная и реактивная мощности связаны между собой соотношением .

Графическая зависимость между S, P, Q показана на рисунке:

Рисунок 1. Определение коэффициента мощности печи

Активная и реактивная мощности представляют собой катеты, а полная мощность - гипотенузу прямоугольного треугольника. Угол между P и S обозначен φ. Отношение активной мощности к полной P/S= cosφ. Понятие cosφ широко используется в технике. По значению cosφ судят о загрузке электросети. Чем выше cosφ, тем рациональнее используется сеть.

При cosφ=1 в тепловую энергию преобразуется вся энергия, отбираемая из сети. При низких значениях cosφ в тепловую энергию может быть преобразована только небольшая часть энергии, отбираемой из сети. Ясно, что при cosφ=0 вся энергия, отбираемая из сети, вначале превращается в энергию магнитного поля, а затем вновь вращается в сеть. В этом случае происходит лишь загрузка сети, а полезное превращение энергии в теплоту отсутствует.

Повысить cosφ индукционной печи по отношению к питающей электрической сети можно подключением параллельно индуктору конденсаторов рисунок 2. При достаточном количестве конденсаторов, т.е. когда мощность конденсаторов Qc, будет равна индуктивной мощности печи Q, cosφ=1 рисунок 2а, что позволяет значительно уменьшить силу тока в проводящей электрической сети при сохранении в печном контуре прежней силы тока. По контуру, включающему индуктор и конденсаторную батарею, происходит ток большой силы. Поэтому для соединения индуктора с конденсаторной батареей используют шины и кабель большого сечения.

Магнитный поток, создаваемый индуктором, проходит по замкнутым линиям как внутри его, так и снаружи. В зависимости от прохождения магнитного потока с внешней стороны индуктора различают открытую, экранированную и закрытую конструкции печей.

При закрытой конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора проходит по радиально расположенным пакетам трансформаторной стали - магнитопроводам. Магнитная проницаемость трансформаторной стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводам. Магнитопроводы целесообразно располагать как можно ближе к индуктору. Это уменьшает размеры печи и увеличивает жёсткость индуктора. Число магнитопроводов и их размеры определяют в зависимости от мощности печи, частоты питающего тока, характеристики трансформаторной стали и т.д. закрытую конструкцию широко применяют в печах большой вместительности.

Большое значение для работы индукционной печи имеет частота питающего тока. Каждому значению вместимости печи и электрическому сопротивлению шихты соответствует определённая частота тока. При выборе частоты тока учитывают, что внутренний диаметр тигля должен быть больше или равен 3,5 глубины проникновения тока в шихту.

Индукционные тигельные печи состоят из следующих основных частей: индуктора, магнитопровода, каркаса, футеровки, механизма наклона, электрооборудования и системы охлаждения печи.

Индуктор. Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку из медной трубки. Индуктор изготавливают из меди потому, что ею поглощается меньше энергии электромагнитного поля, чем сталью и другими материалами. Профиль медной трубки: круглый, квадратный, прямоугольный. Толщину стенки медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего тока. Исходя из необходимости обеспечения минимальных потерь энергии в трубе, толщина её стенки должна быть на 30% больше глубины проникновения тока. Размер отверстия в трубке обусловлен расходом охлаждающей её воды. Поперечное сечение трубки зависит от тока, протекающего по индуктору.

Для подвода и отвода воды и электроэнергии индуктор имеет припаянные штуцера. Между витками индуктора устанавливают электроизоляционные прокладки. Индуктор покрывают слоем эпоксидной смолы, чем обеспечивается надёжная электрическая изоляция одного витка от другого. Наружная часть - оклеена листовым асбестом.

В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора устанавливают ниже уровня металла, вследствие чего уменьшается мениск на поверхности ванны и исключается выброс металла из тигля из-за электродинамической циркуляции.

Магнитопровод. Во избежание нагрева металлических частей печи полями рассеяния вокруг индуктора устанавливают внешний магнитопровод из листовой трансформаторной стали. Магнитопровод состоит из отдельных пакетов, расположенных равномерно по периметру индуктора. На печах промышленной частоты магнитопроводы изготавливают из стали. Длина пакетов выше высоты индуктора. Пакеты крепят к каркасу печи болтами и устанавливают вплотную к индуктору, что обеспечивает жесткость конструкции и минимальное рассеяние магнитного потока.

Каркас. Каркасы печей большой вместимости должен иметь большую жёсткость и прочность, поэтому их изготавливают из профильной стали, т.е. швеллера, уголка, балки. Каркас воспринимает все нагрузки, возникающие при расширении печи (при нагреве), её наклоне, сливе металла и шлака.

Футеровка печи. Условия работы индукционной печи предъявляют определённые требования к её футеровке. Футеровка должна выдерживать механическое воздействие жидкого металла, что особенно важно для печи большой вместимости (свыше 10т.). Футеровка со стороны (поверхности) жидкого металла должна иметь плотную спёкшуюся поверхность, через которую он не сможет просочиться. Со стороны индуктора футеровка должна быть неспёкшейся. Это предупреждает образование в ней сквозных трещин. В процессе эксплуатации в плотном спёкшемся слое футеровки могут образовываться трещины. Жидкий металл, попадая по ним в неспёкшийся слой, разогревают его, и футеровка, спекаясь, закрывает трещину. Наличие неспёкшегося слоя исключает проникновение жидкого металла к индуктору.

Стойкость футеровки определяет срок службы печи до очередного ремонта. В зависимости от металлургического процесса применяют кислые или основные огнеупорные материалы. Футеровка печи состоит из подины, тигля, верхнего кольца, крышки.

Футеровку тигля изготавливают методом уплотнения вибрацией с использованием ручных или механических вибраторов. Для изготовления тигля применяю сухие кварцевые массы. Вначале выполняют нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают металлический шаблон засыпают огнеупорную массу. Во избежание разделения фракций массы её подают в печь по матерчатому или резиновому рукаву.

При использовании ручных электровибраторов футеровку тигля делают послойно 30-50 мм. Для больших печей применяют несколько шаблонов, так как высота шаблона должна быть не более 500-600 мм, устанавливаемых последовательно друг на друга по мере уплотнения тигля.

После футеровки тигля металлический шаблон остаётся в печи и расплавляется при её нагреве.

При большом количестве крупных фракций футеровка менее плотна, спекаемость массы снижена.

Футеровку печи сушат плавно, повышая температуру, что исключает отслаивание футеровки. Печь нагревают при включении индуктора в электрическую сеть. Предварительно в печь загружают несколько стальных или чугунных блоков, которые, нагреваясь вихревыми токами, разогревают футеровку печи. Обычно время нагрева до 1000°С не превышает 10 часов. Затем печь переключают на более высокую ступень напряжения и расплавляют металл, загружаемый в печь, или в печь заливают жидкий металл из другой печи. Футеровка печи спекается при рабочей температуре за 1 час. Температура спекания футеровки при плавке чугуна 1500°С.

Срок службы футеровки зависит и от химического состава металла. При выплавке чугуна может иметь место переход кремния из футеровки в жидкий металл. Например, для чугуна, содержание 3%Сu и 1%Si, температура равновесного состояния равно 1400°С.

Футеровка печи ИЧТ-6. Перед началом футеровочных работ покрытый обмазкой индуктор обложить изнутри слоем асбестового картона 5 мм, второй слой - миканит 1мм.

Футеровка электропечи кварцевая.

1.      Формовочные материалы.

1.1.   Кислые огнеупорные материалы: чистый кварцит и борная кислота или борный анледрид, их применяют в качестве связующего.

1.2.   Первоуральский кварцит ПКММ - 97%, его влажность должна быть не более 0,3%.

.3.     Борная кислота - 3%. Влажность не более 0,2%. Для контроля кварцита используют сита с ячейками в свету 3 мм; 1 мм; 0,5мм; 0,1мм.

Изготовление пода электропечи.

Под выполняют из штучных огнеупоров. Состав футеровочной массы для пода тигля.

ППММ - 98,8%.

Борная кислота - 1,2%.

Изготовление стен тигля.

Состав набивной массы для стен тигля набиваемых до уровня 2/3 общей высоты тигля.

ПКММ - 1,5%.

Состав набивной массы для стенок верхней части (1/3 часть общей высоты).

ПКММ - 98,2%.

Борная кислота - 1,8%.

Футеровка крышки выполняется из огнеупорного бетона:

Магнезитовый заполнитель - 50%.

Тонкомолотый магнезит - 28%.

Мариламит, влажностью 0,005% - 12%.

Жидкое стекло - 10-12%.

Кремнеортофосфат натрия - 1,6%.

Механизм наклона. При разливке металла каркас печи и формовой необходимо наклонять на 95°-100°. Большие печи имеют, как правило, механизм наклона с гидравлическим цилиндром, соединенным с помощью шарниров с её каркасом и рамой. Гидравлический цилиндр гибкими шлангами соединён с насосной станцией. Из противопожарных соображений в гидросистемах вместо масла целесообразнее применять негорючую жидкость.

Механизм поворота крышки. Футеровочная крышка, закрывающая рабочее пространство, имеет гидравлический привод. Открытие и закрытие крышки производится с пульта управления. Наклон в одну сторону на угол 100°. С помощью двух гидравлических плунжеров.

Электрооборудование. В комплект печной установки входит трансформатор, конденсаторные батареи, преобразователь частоты тока, щиты управления и питающие кабели. Печь подключается к сети высокого напряжения (до 35кВт) через высоковольтный выключатель. Трансформатор имеет несколько регулировочных ступеней на вторичной стороне (до 10), что позволяет подводить необходимое напряжение к индуктору в зависимости от режима работы печи. Для компенсаций индуктивной мощности индуктора предназначены две конденсаторные батареи. Одна батарея включена постоянно, другую включают частями, по мере необходимости. Это даёт возможность для любого режима работы печи получать cosφ, близкий к единице.

Система охлаждения печи. Такие элементы печи, как индуктор, конденсаторы, кабели, могут работать только при их интенсивном охлаждению Для охлаждения используют воду. Температура воды на выходе из индуктора должна быть не более 50°С, при перепаде температур воды не более 25°С. Температура входящей воды не ниже 10°С.

При малом расходе воды и высокой её температуре (на выходе из индуктора) на стенках трубки индуктора может образоваться накипь, что приведёт к ухудшению его водоохлаждения и выходу преждевременно из строя.

При большом расходе воды и низкой её температуре (на выходе из индуктора) может произойти отпотевание индуктора и пробой изоляции.

Для ИЧТ-6 расход воды 20, индуктор - 18 , токопровод - 2 при давлении 0,2 Па.

Плавка в ИЧТ-6. Загрузка шихты в тигель осуществляется с помощью бадей, лотков, питателей и др. Шихта, флюсы и добавки должны быть сухими. При загрузке следует обратить внимание на габариты кусков первой порции шихты: размеры d не менее 175 мм. или куски размерами 160×160 мм. 20%-30% от ёмкости тепла, следует оставлять для использования мелкой шихты, после каждой плавки и слива металла.

В первый период плавки, когда в тигель загружается только твёрдая шихта. Скорость нарастания не менее 100°С в час. В три, четыре приёма по мере расплавления предыдущих загрузок.

Нагрев и расплавление металла происходит за счёт протекающих в нём токов, которые возникают под воздействием электромагнитного поля, создаваемого индуктором. При этом возникает так же электрические силы, которые создают интенсивное перемешивание металла, обеспечивающее равномерность температуры и однородность химического состава расплавленного металла.

После загрузки в электрическую печь шихты (чугунных чушек, чёрного лома) крышка печи опускается и закрывает тигель.

Электропечь включается на режим плавки. По окончании процесса расплавления и перегрева электропечь отключается и металл сливается в разливочный ковш или форму. Наклон производится при помощи двух плунжеров наклона. Плунжеры наклона и гидроцилиндр механизма подъёма и поворота крышки приводится в действие давлением масла, поступающего по трубопроводу от маслонапорной установки, расположенной вблизи электропечи.

Основными достоинствами печей этого типа является простота перехода с плавки одного сплава на другой, высокая скорость нагрева, хорошее перемешивание металла, небольшой угар, возможность ведения плавок в любой атмосфере, в том числе и вакууме.

2. Определение геометрических размеров системы «индуктор-металл»

Рациональное соотношение геометрических размеров системы «индуктор-металл» (рис.2) для индукционных тигельных печей (ИТП) различной вместимости m₀ получены на основе анализа электромагнитных явлений.

Используя следующие данные : плотность d_ж=7 т/м³=7000 кг/м³;

Вместимость тигля ИЧТ-6, m₀=6000 кг=6 т, определяем геометрические размеры системы «индуктор-металл»:

Принимаем компоновку системы «индуктор-металл» по рисунку 2:

Рисунок 2

Форму тигля характеризует следующее соотношение:

А= D_м.ср./h_м;

для отечественных ИТП функция имеет вид:

Исходя из графика соотношения геометрических размеров рабочего пространства ИТП разной вместимости(рис.8.2[2], с.151) принимаем А=0,95.

С учетом соотношений приведенных выше определяем средний диаметр объема жидкого металла в тигле D_м.ср. :

Определяем высоту (глубину) объема жидкого металла h_м по формуле:

_м= D_м.ср/А_;

h_м=1/0,95=1,053м;

По заданному полезному объему жидкого металла_м=6000/7000=0,86 м³;

Определяем высоту объема жидкого металла h_м, исходя их полезного объема жидкого металла :

Принимаем h_м=1,1м.

Высоту (глубина) тигля h_т с учетом возможного выпуклого мениска на зеркале жидкого металла, условий загрузки металлошихты и по конструктивным требованиям составляет:

Определяем среднюю толщину футеровки тигля:

при расчете средней толщины футеровки тигля следует иметь в виду, что увеличение толщины футеровки с одной стороны, способствует уменьшению тепловых потерь из тигля и повышению механической прочности футеровки тигля в условиях гидростатического давления и электродинамического воздействия жидкого металла; с другой стороны вызывает снижение электрического к.п.д. системы «индуктор-металл» и неблагоприятное усиление реактивной мощности в зазоре между металлом и индуктором:

Высоту индуктора h_и выбирают таким образом, чтобы обеспечить нагрев металла в местах с ослабленной напряженностью магнитного поля, что имеет место у торцов индуктора вследствие рассеяния магнитного потока; определяем высоту индуктора исходя из следующего условия:

Так как печь ИЧТ-6 работает на промышленной частоте(f=50Гц), то высота индуктора меньше высоты металла:

3. Тепловой расчет

3.1 Определение полезной энергии

Полезный расход энергии W_пол в ИТП необходим для изменения энтальпии загружаемой металлошихты массой m₀(пренебрегая угаром) при нагреве, плавлении и перегреве жидкого металла до температуры заливки:

.

где W_у.т.- удельный теоретический расход энергии для индукционной плавки. Принимаем W_у.т.=355  ([1], приложение 8).

3.2 Определение тепловых потерь

Зная геометрические размеры тигля, тепловые потери рассчитывают при условии стационарного теплового состояния футеровки, опираясь на следующие данные:

Температура жидкого металла 1773 К.

Футеровка стены тигля: кварцитная набивная масса- 0,113 м; асбестовый картон- 0,005 м; меканит- 0,001 м; защитная обмазка индуктора- 0,001 м; итого средняя толщина футеровки тигля Dф=0,12 м.

Футеровка подины тигля: кварцитная набивная масса- 0,143 м; асбестовый картон- 0,005 м, меканит- 0,001 м; шамотный кирпич- 0,2 м; асбестовый картон- 0,005 м; итого средняя толщина пода печи Dп=0,354 м.

Футеровка свода: огнеупорный бетон- 0,25 м.

3.2.1 Тепловые потери через стенку тигля

Тепловые потери через стенку тигля определяем по формуле

где Т_р- температура внутренних поверхностей футеровки тигля, равная температуре жидкого металла; Т_р=1773 К;

Т_в- температура воды, охлаждающей индуктор, 293 К;- число слоев стенки тигля;

l_i - теплопроводность i- го слоя, _i^- средний внешний диаметр слоя футеровки стены тигля.

Пренебрегая тепловыми сопротивлениями медной стенки индуктора с теплопроводностью 390  и конвективной теплоотдачи в системе охлаждения индуктора при a=2..8 ;

Определяем потери через стенку по формуле:

Определяем внешние диаметры слоев футеровки стены тигля, м:

Задаем распределение температур по границам слоев, К:

Т₁=400 К;

Т₂=355 К;

Т₃=315 К;

Т₄=300 К.

Определяем средние значения температуры слоев, К:

Оцениваем по таблице «Теплофизические свойства некоторых огнеупорных и теплоизоляционных материалов для различных значений средней температуры» (Приложение 10 [2],с 263), имеем средние значения теплопроводности слоев, :

l₁=0,8; l₂=0,21; l₃=0,17; l₄=0,7.

Поскольку соотношение внешних и внутренних диаметров цилиндрических слоев футеровки стены тигля составляет:

< 1,8;

< 1,8;

< 1,8;

< 1,8.

Следовательно тепловое сопротивление (R_т) К/Вт, каждого цилиндрического слоя высотой h_м=1,1 м

Определяем с учетом средней (расчетной) пощади (S_р)i, м²:

Определяем тепловые сопротивления для i-ой стенки тигля, по формуле:

Приняв температуру охлаждающей воды в индукторе Т_в=293 К, определим типовые потери через футеровку стены тигля:

Принятые значения температуры Т₁ по границам слоев проверяем аналитически по тепловому потоку Ф_ст с учетом соответствующего теплового сопротивления R_т:

С учетом допустимой погрешности определения температуры не более ±20 К - расчет выполнен правильно.

3.2.2 Расчет тепловых потерь излучением с зеркала ванны жидкого металла

где с - коэффициент излучения абсолютно черного тела с=5,7 ;площадь отдающей поверхности тела, м²;

y- коэффициент диафрагмирования, y=0,85;

t₀- время открытия крышки t₀=0,1 ч.

.

3.2.3 Расчет тепловых потерь через свод тигля

Определяем тепловые потери через футеровку свода W_з за время t_з с учетом конвективной теплоотдачи с теплоотдающей поверхности, обращенной вниз:

где Т_в- температура воздуха 293 К;

a_нар- теплоотдача с теплоотдающей поверхности свода, обращенной вверх, К=3,3

a_нар принимаем 20 из приложения 1 табл.Л1-1[3].

t_з- время при котором свод закрыт 2 ч._т.о.- площадь теплоотдающей поверхности м².

Зная конструкцию футеровки свода, определяем среднюю площадь огнеупорного бетона.

Оцениваем по таблице «Теплофизические свойства некоторых огнеупорных и теплоизоляционных материалов для различных значений средней температуры» (Приложение 10 [2],с 263), :

l=0,9, при Т_ср=1046 К.

Определяем тепловое сопротивление по формуле:

Определяем тепловой поток через футеровку свода:

Задаем распределение температуры по границам слоев, К: Т₁=1673; Т_т.о.=420.

Принятые значения температур, по границам слоев, проверяем аналитически по тепловому потоку с учетом соответствующего R₁; .

Проверим температуру воздуха Т_в:

Расчет выполнен правильно.

Определяем тепловые потери:

.2.4 Тепловые потери через под тигля

Тепловые потери определяют по формуле:

где a₂- коэффициент теплоотдачи с теплоотдающей поверхности, обращенной вниз.

Расчетные площади (S_p)_i, необходимые для определения частного теплового сопротивления теплопроводности i-го слоя футеровки подины, определяем с учетом соотношения площадей тепловоспринимающей и теплоотдающей поверхностей данного слоя:

, если S₂/ S₁ < 2;

, если S₂/ S₁ > 2;

Приняв для условий расчета Т_в2 и Т_т.о. =510 К, находим из таблицы «Коэффициент конвективной теплоотдачи при различной температуре окружающей среды» (Приложение 2, [9] с.262), a_S=29 . Для расчета принимаем a₂=12 . Зная конструкцию футеровки подины тигля определяем средние(расчетные) площади каждого слоя:

_м=1 м²; S₁/ S_м=1,23< 2

₂/ S₁»1< 2

₃/ S₂»1< 2;

₄/ S₃»1< 2;

₅/ S₄»1< 2;

Задаем распределение температур по границам слоев, К:

Т₁=1100 К; Т₂=1054 К; Т₃=1040 К; Т₄=580 К;

Т₅=510 К; Т_т.о.= Т₅=510 К; Т_в2=295 К;

Определим среднее значение температуры слоев, К:

Оцениваем по таблице «Теплофизические свойства некоторых огнеупорных и теплоизоляционных материалов для различных значений средней температуры» (Приложение 10 [2],с 263), : l₁=0,9; l₂=0,22; l₃=0,3; l₄=1,16; l₅=0,19.

Определяем тепловые сопротивления:

Тепловые потери через футеровки подины тигля:

Принятые значения температуры Т_i по границам слоев необходимо проверить аналитически по тепловому потоку Ф_под с учетом соответствующего теплового сопротивления R_T :

Следовательно с учетом допускаемой погрешности определения температуры не более ±20 К расчет выполнен правильно.

3.2.5 Расчет суммарных тепловых потерь

Суммарные тепловые потери составляют:

Ф_S=Ф_ст+Ф_под+(W₀+W_з)/t_пл;

t_пл- продолжительность плавки, ч.

Ф_S=33,41+3,58+(43+8,265)/2=62,6 кВт.

Активная мощность необходимая для компенсации тепловых потерь Ф_S составит согласно формуле:

.2.6 Определение активной мощности, выделяемой в металле

Активную мощность, выделяемую в металле Р_м определяем по формуле:

где t_э- энергетический период, t_э=1,6 часа;

h_тигля=0,9;

Проверка по предельному значению удельной мощности: h_э=0,8.

Условие выполняется, следовательно, расчет произведен, верно.

4. Электрический расчет

.1 Обоснование рабочей частоты тока

Обоснование рабочей частоты тока f_раб выполним на основе определения f_min согласно соотношения:

_раб> f_min=

где r_м- удельное электрическое сопротивление расплавляемого металла, равное для жидкого чугуна r_м= ;

(m_r)_м- относительная магнитная проницаемость.

(m_r)_м=1;_min=

Определяем критическую частоту f_крит графоаналитическим методом:₁=50> f_min;₂=250> f_min;₃=1000>> f_min;₄=2400>> f_min;

Для расчета электрического К.П.Д. h_э по формуле:

где r_и- удельная электрическое сопротивление индуктора r_и=;

К_пр и К_мр- поперечные коэффициенты активной мощности, характеризующие условия затухания цилиндрической электромагнитной волны соответственно в индукторе и металле и зависящие от соответствующих относительных диаметров индуктора D_вт/d_э.п. и металла D_м/d_э.п;

 и  - эквивалентная глубина проникновения полосной электромагнитной волны соответственно в материал индуктора и нагреваемый металл, м;_м.р- коэффициент характеризующий рассеяние магнитного потока в системе «индуктор- металл» и зависящий от геометрических размеров; К_з- коэффициент заполнения индуктора, К_з=0,8.

Для симплексов геометрических размеров

А=D_м/h_м=0,95;_вт/h_и=1,32;

К_h=h_и/h_м=0,89;

К_т.р.= 0,86.

Расчет по формуле дает следующий результат:, Гц…….50      250            1000                    2400

l_э……….0,79     0,8             0,8             0,8

По этим результатам строим график зависимости l_э=Х_n(f); (h_э)_lim=0,8.

Рисунок 3. Зависимость электрического к.п.д. системы «индуктор-металл» от частоты

f₁=50 Гц следовательно f_раб=50 Гц.

В качестве источника питания проектируемой ИТП можно использовать термиторный преобразователь частоты типа ТПЧ, который создает номинальное напряжение 2000 В.

4.2 Расчет электрических параметров

индукционный тигельный печь энергетический

Определяем глубину проникновения металла:

Определяем напряженность магнитного поля в индукторе, А/м по формуле:

где k_s- коэффициент учитывающий самоиндукцию и взаимоиндукцию между индуктором и металлом k_s=0,86;

А_м- поправочный коэффициент активной мощности от отношения_вт/D; А_м=0,93.

Определяем реактивную мощность выделяющуюся в металле, квар.:

где R_м- поправочный коэффициент реактивной мощности; R_м=1 ([1], рис.135)

Определим реактивную мощность, выделяющуюся в зазоре между металлом и индуктором, квар.:

Определим толщину стенки трубки индуктора:

Для меди D=0,01;

Определяем потери активной мощности в индукторе, кВт:

где r_и- удельное электросопротивление материала индуктора, r_и=

m_и- относительная магнитная проницаемость, m_и= 1;

А_и- поправочный коэффициент активной мощности, определяем по ([1], рис.136), А_и=0,95; К_з.н.=0,8;

Определяем реактивную мощность выделяющуюся в индукторе, квар.:

Определяем общую активную мощность, кВт:

Р=Р_м+Р_и, кВт

Р=1480+638=2118 кВт;

Общая реактивная мощность, квар.:

_å=Q_м+Q_з+Q_и; квар._å=2986+14568+536=18090 квар.;

Определяем полную мощность системы «индуктор-металл», :

;

Определяем силу тока в индукторе, А:

где U_u- напряжение на индукторе, В. U_u=2000 В:

Определяем число витков в индукторе:

Определяем шаг витка индуктора:_вит=0,94/45=0,02

Определяем естественный коэффициент мощности системы «индуктор-металл»:

cosj=P/S=2118/18213=0,12.

4.3 Расчет конденсаторной батареи

Емкость С(мкФ) конденсаторной батареи, необходимой для регулирования компенсации реактивной мощности системы «индуктор-металл» Q_å (квар.), определяют для известного значения напряжения U_к.б.=U_и:

Выбрав конденсаторы типа ЭСВП-2-0,05 определим число конденсаторов по формуле:

_к=С/С₁;

где С₁- емкость одного конденсаторного элемента по ([2], Приложение 12), С₁=15,91 мкФ._к=14980/15,91=941.

Электрические потери в конденсаторной батареи Р_к.б при тангенсе угла диэлектрических потерь tgd= ([2], Приложение 12):

5. Составление энергетического баланса

Мощность, выделяемая в металле, Р_м=1480 кВт;

Мощность тепловых потерь Р_т.п.=638 кВт.

Полезную мощность находим по результатам теплового расчета

Р_пол.=1480-638=842 кВт.

Тепловой К.П.Д. тигля равен по формуле:

h_т=Р_пол/Р_м=842/1480» 0,65.

По результатам электрического расчета имеем:

мощность электрических потерь в индукторе Р_и=75 кВт.

электрический К.П.Д индуктора h_э=0,8.

Активная мощность, поступающая к индуктору, по формуле:

Р_п.м.=Р_м+Р_и=1555 кВт.

Принимаем возможные потери в ферромагнитном экране 15%, определим электрические потери обусловленные экранированием

Определим активную мощность печи по формуле:

Р_п=Р_ф.э.+Р_п.м

Р_п=25,6+1555=1580,6 кВт;

h_к.б.=1555/1580,6=0,98

Определим К.П.Д. конденсаторной батареи по формуле:

h_к.б=Р_п/Р_к;

Электрические потери в конденсаторной батареи, определенные по величине tgd равна Р_к.б.=73 кВт. Активную мощность, потребляемую колебательным контуром, определяем по формуле:

Р_к=Р_п+Р_к.б.=1580,6+73=1653,6 кВт.

h_к.б.=1580,6/1653,6=0,96.

Оценим возможные электрические потери во вторичном токопроводе до 5%, определим: мощность электрических потерь в токопроводе:

Мощность поступающую от источника питания по формуле:

Р_т.пр=Р_к+Р_к.с=1750 кВт;

h_т.пр.=Р_к/Р_т.пр=1653,6/1750=0,94

По значению Р_т.пр уточняем выбор источника питания([2], Приложение 11) ТПЧ с номинальной мощностью 4000 кВт и электрическим К.П.Д., h_и.п.=0,94.

Электрические потери в источнике питания определим по формуле:

Определим активную мощность, потребляемую в питающей сети по формуле:

Р_с=Р_т.пр+Р_и.п;

Р_с=1750+115=1865 кВт.

Общий К.П.Д. электропечной установки ИЧТ-6 составляет:

h₀=Р_пол/Р_с=842/1865=0,45

и h₀=0,9*0,8*0,98*0,97*0,95*0,94=0,52.

Определяем удельный расход электрической энергии на расплавление металлошихты по формуле:

W=355/0,45=789 .

Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта по дисциплине «Печи литейных цехов», была разработана конструкция индукционной чугуноплавильной тигельной печи ИЧТ-6. Данная печь предоставляет возможность расплавления металлов и приготовления сплавов, миксирование металлов и сплавов. Технологический процесс осуществляется за счет потребления теплоты и поэтому подвод теплоты является первым необходимым условием осуществления технологического процесса в печи, второе необходимое условие - передача теплоты нагреваемому материалу.

Индукционная печь относится к печи-теплогенератору, в которой теплота выделяется внутри зоны проведения теплотехнического процесса, внешний теплообмен почти отсутствует. При повышении частоты тока уменьшается интенсивность движения металла в тигле, что позволяет увеличить подводимую удельную мощность и скорость плавки, но это удорожает электрооборудование и снижает КПД при выдержке и перегреве жидкого металла.

Литература

1. Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков «Печи и сушила литейного производства», Москва «Машиностроение» 1978г.

3. А.Д. Свенчанский «Электрические промышленные печи, энергия». Москва. 1975 г.

. В.А Кривандин «Металлургические печи», Москва «Металлургия» 1977.