Расчет и проектирование индукционной печи для плавки бронзы на 500 кг

Министерство образования и науки Украины

 

 

 

 

Кафедра “Литейное производство”

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчётно-пояснительная  записка

к курсовой работе по дисциплине

 

 

“Сплавы для художественного и ювелирного литья”

на тему:

“Расчет и проектирование индукционной печи для плавки бронзы на 500 кг”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Харьков 2009 г

 

Содержание

 

 

Реферат                                                                                                                 3                   

Введение                                                                                                               4

1.Техническая и химическая  характеристика СЧ-20                                        5

2.Описание индукционной  тигельной печи

3.Расчет индукционной  тигельной печи

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

       В курсовой работе дана техническая и химическая характеристика СЧ-20, описан принцип работы индукционной тигельной печи, выбраны и рассчитаны определенные параметры печи (вместимость тигля, объем жидкого металла в печи, высоту металла в тигле, полезную тепловую мощность в печи и т. д.).

       Ключевые слова и выражения: индукционная тигельная печь, футеровка, механизм наклона, конденсаторная батарея, индуктор.

       Курсовая работа по дисциплине “ Сплавы для художественного и ювелирного литья ” состоит из расчётно-пояснительной записки, включающей в себя страниц, 1 таблицу, 12 наименований цитированной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Литьё  является одним из наиболее  распространённых способов производства заготовок для деталей машин. Примерно около 70 % (по массе) заготовок получают литьём, а в некоторых отраслях машиностроения, например в станкостроении, 90-95 %. Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами производства заготовок (ковка, штамповка). Литьём можно получить заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на механическую обработку. Это очень важное преимущество, так как сокращение затрат на обработку резанием снижает себестоимость изделий и уменьшает расход металла. Кроме того, производство литых заготовок значительно дешевле, чем, например производство поковок.

       В  настоящее время отливки в  нашей стране изготавливаются  на предприятиях почти всех министерств и ведомств. Наибольший удельный вес приходится на отрасли машиностроения и металлообработки, которые являются основными производителями и потребителями литья. Характерной особенностью литейного производства является невозможность создания межоперационных заделов жидкого металла, формовочных смесей, форм и стержней. Технологические процессы в литейном производстве носят закрытый характер, т. е. протекают в условиях, не позволяющих проводить визуальный контроль за их ходом (плавка металла, заливка его в формы, остывание отливок). Поэтому получение качественных отливок в основном определяется точностью соблюдения технологии отливки, качеством формовочной смеси, модельной оснастки, режимами охлаждения и термической обработки готовых отливок.

За последние годы освоены многие прогрессивные технологические  процессы, повышающие качество, снижающие  затраты на изготовление отливок, обеспечивающие защиту окружающей среды. Освоено серийное производство нового оборудования, в том числе автоматических линий изготовления отливок в разовых формах, автоматических и полуавтоматических машин и линий. Большое внимание уделяется созданию теории конструирования и разработке рабочих процессов высокопроизводительных и бесшумных машин, комплексных автоматических линий и агрегатов непрерывного действия с высокой степенью надёжности, основанных на эффективных технологических процессах производства отливок с применением ЭВМ и АСУ. Развитие систем автоматизации литейного производства от простейших локальных систем автоматического контроля и регулирования до совершенных автоматизированных систем управления (АСУ) на основе электронных вычислительных машин является одним из наиболее действенных средств мобилизации резервов и дальнейшего повышения технико-экономических показателей процессов производства отливок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническая  и химическая характеристика  бронзы

       Бронзы (франц. ед. ч. bronze), сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом может быть любой химический элемент, за исключением Zn и Ni. Различают оловянные бронзы (до ~ 19% Sn), алюминиевые (4-11 % А1), бериллиевые (до ~ 2% Be) и др. Оловянная бронза-древнейший сплав, выплавленный человеком.

       Бронзы получают сплавлением меди с легирующими элементами, обычно в электрических индукционных печах. По способу обработки бронзы подразделяют на деформируемые и литейные. Из первых отливают плоские или круглые слитки, которые подвергают горячей и затем холодной обработке давлением (прокатке, прессованию) для получения листов, лент, прутков и труб. Бронзы плавятся при более низких температурах, чем медь; они хорошо заполняют литейную форму.

       Легирующие элементы могут образовывать с медью твердый раствор или химическое соединение (напр., Cu₃₁Sn₈, Cu₃P). Твердый раствор из-за искажения атомами легирующих элементов кристаллической решетки меди тверже ее. Химические соединения еще более тверды, но очень хрупки; их объемная доля в бронзах значительно меньше, чем доля твердого раствора. Для бронз характерны: 150-600МПа, относительное удлинение 3-10% (литейные) и 20-50% (деформируемые), твердость по Бринеллю 600-2000 МПа. Некоторые бронзы подвергают закалке и упрочняющему старению. Например, при закалке в воде бронзы, содержащей 2% Be (от температуры 780°С), образуется пересыщенный бериллием твердый раствор, а во время старения при 320 °С в течение 2 часов в этом растворе получаются обогащенные бериллием дисперсные выделения, близкие по составу к СиВе и обусловливающие высокие мех. свойства: 1300МПа, твердость по Бринеллю 3500 МПа.

       Бронзы превосходят чистую медь по антикоррозионным свойствам и прочности. Для многих бронз характерны высокие износостойкость, упругость, вязкость, антифрикционные свойства. Они устойчивы на воздухе, в водяном паре, H₂SO₄, а алюминиевые бронзы, кроме того, в морской воде, кремнистые - во многих сухих газах (С1₂, Вr₂, H₂S, HC1, SO₂, NH₃), сточных щелочных средах.

       Бронзы используют для изготовления шестерен, направляющих втулок, подшипников скольжения, арматуры для работы в пресной и морской воде и атмосфере водяного пара, судовых гребных винтов, пружин, манометрических трубок, электродов сварочных аппаратов, дымовых труб и труб для сточных вод, монет, скульптур, колоколов и др. Особенно широко применяют алюминиевые бронзы, которые менее дороги, чем оловянные.

 

Табл. 1. – Химический состав медных сплавов (массовая доля в %)

Марка сплава	Al	Mn	Cu	Si	Fe	P	Zn	Ni	As	Pb	Sn	Sb	Сумма примесей (%) не более
ЛС	0.5	0.5	56-61	0.3	0.8	-	Остальное	1	-	0.8-1.9	0.5	0.05	2
ЛС-59	-	-	57-60	-	0.5	0.02	Остальное	0.5	Висмут  0.003	0.8-1.9	0.3	0.01	0.75
ЛС-63	-	-	62-65	-	0.2	-	Остальное	0.5	-	0.7-2.3	0.1	0.02	0.5
БрА10Ж3	9-11	1-3	Остальное	0.1	2-4	0.01	0.5	0.5	0.01	0.3	0.1	0.05	1
БрО5Ц6С5  (ОЦС 5-6-5)	0.05	-	Остальное	0.05	0.4	0.1	5-7	-	-	4-6	4-6	0.5	1.3
МАЦ-Л	1.6	0.15	Остальное (69-75)	0.1	1.2	-	10-20	5	-	8	3.5	0.15	Указывается в сертификате качества/веса

 

 

 

 

2. Описание  индукционной тигельной печи

      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.

     В индукционных  тигельных печах в литейном  производстве выплавляют различные  металлы и сплавы (медь, бронзу, алюминий  и т. д.).

     Принцип  действия тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. Под действием возникающей ЭДС в металле течет 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.

      Для  уменьшения индуктивной мощности  печи паралельно индуктору подключают  конденсаторы, число которых по ходу плавки изменяется, так как в процессе нагрева меняется электрическое сопротивление шихты, а в некоторых случаях и ее магнитные свойства.

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

       Индуктор  представляет собой цилиндрическую  катушку из медной трубки. Профиль  медной трубки разнообразен: круглый,  квадратный, прямоугольный. Толщину  стенки медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего тока.

      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.

      Каркасы  печей небольшой вместимости  выполняют из дерева и абсбоцемента, а также из немагнитных металлов. Каркас воспринимает все нагрузки, возникающие при расширении печи (при нагреве), ее наклоне, сливе металла и шлака.

     Футеровка. Условия работы индукционной печи предъявляют определенные требования к ее футеровке. Футеровка должна выдерживать механическое воздействие жидкого металла. Со стороны индуктора футеровка должна быть неспекшейся. Это предупреждает образование в ней сквозных трещин.

     Механизм наклона. При разливке металла каркас печи с кондуктором и футеровкой в сборе необходимо наклонять на 95 - 100º. Индукционные печи небольшой вместимости имеют ручные механизмы наклона (лебедки).

    Электрооборудование.  В комплект печной установки  входит трансформатор, конденсаторные  батареи, преобразователь частоты  тока, щиты управления и питающие  кабели. Печь подключается к сети  высокого напряжения (до 35 кВ) через  высоковольтный выключатель.

     Система  охлаждения печи. Такие элементы  печи, как индуктор, конденсаторы, кабели, могут работать только при  их интенсивном охлаждении. Для  охлаждения используют преимущественно  воду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет индукционной  тигельной  печи для плавки бронзы 500 кг

1. Минимальная частота питающего тока. Выполним расчет для двух cхарактерных условий: тигель заполнен твердой шихтой, и жидким металлом.
1. Тигель заполнен твердой шихтой с температурой 20ºС. Принимаем удельное электросопротивление бронзы Ом·м, относительная магнитная проницаемость 1, средний размер куска мелалла 0,2 м.

,

где  - удельное электросопротивление металла, Ом·м;

       - относительная магнитная проницаемость металла;

        dм – диаметр металла м;

     =25·10⁶· /(1·0,2 )=12,5 Гц

 

2)  Тигель заполнен жидким металлом с температурой 1200 ºС. Удельное электросопротивление бронзы 21 Ом·м, относительная магнитная проницаемость 1. Диаметр металла равен внутреннему диаметру тигля.

=25·10⁶ /(1·1,61 )=2,02 Гц  

             

2. Полезная вместимость тигля. Массу болота примем  7 т.

,

где  τ1 – время загрузки шихты в печь, ч;

       τ2  – время плавки, ч;

       τ3  – время доводки металла, ч;

       τ4  – время слива металла из печи, ч;

       П  – производительность печи, т/ч;

       mб – масса болота печи, т.

  (0,2  + 1,7 + 0,3 + 0,067)·11 + 7 = 31 т.

 

     3.Объем  жидкого металла в печи, м³.

,

где γм – плотность  жидкого металла.

31/8,3 = 3,7 т/ м³

 

4. Внутренний диаметр тигля, м.

,

где В – коэффициент, зависящий от вместимости печи. Принимаем В = 1,5.

4,39 м.

 

5. Высота металла в тигле, м.

hм=В·d0

hм = 1,5 · 4,39 = 6,6 м

 

6. Толщина s1 стенки тигля, мм:

S1=(0,15÷0,25)d0.

      s1 =0,15 · 4,39 = 0,66 м

 

7. Толщина s2  изоляционного слоя между тиглем и индуктором, м. Принимаем s2= 0,005 т;