Расчет и проектирование индукционной тигельной печи ИАТ- 40

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Политехнический

институт

ЭТ и ЭТ

кафедра

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Расчет и  проектирование индукционной тигельной печи ИАТ- 40

тема проекта (работы)

 

 

Пояснительная записка

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент,         ЭМ 08-09                      __________                                  Д.В. Кульман

                        номер группы                          подпись, дата                                            инициалы, фамилия

 

Руководитель                                __________                             Р.М. Христинич

                                                              подпись, дата                                             инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2012

 

 

 

Содержание

 

Стр.

Введение 2

1 Определение  геометрических размеров

   системы  «индуктор– загрузка»  7

2 Выбор частоты и мощности источника питания,

   определение  высоты мениска металла 9

3. Определение  активной мощности и теплового  КПД печи 10

4. Тепловой расчет индукционной тигельной печи 12

5. Электрический расчет печи для горячего режима 19

6. Расчет  параметров индуктора при плавлении  кусковой шихты 29

7. Расчет магнитопровода печи 34

8. Расчет водоохлаждения индуктора 38

9. Расчет конденсаторной батареи 43

10. Энергетический баланс установки                                                    46

11. Заключение                                                                                          61  

Список использованных источников  62

 

Введение

 

Индукционный нагрев является одной  из самых молодых и в то же время  самых прогрессивных областей электротермии. Получив промышленное развитие с начала XX столетия, этот вид нагрева к настоящему времени завоевал прочное место в самых разнообразных отраслях промышленности.

Индукционные тигельные печи предназначены  для плавки чёрных и цветных металлов. Они могут использоваться в качестве основного агрегата для плавки твёрдой  шихты и в качестве вторичного агрегата при дуплекс процессе. В  зависимости от электрических свойств  материала тигля различают индукционные печи с непроводящим и проводящим тиглем.

Индукционные печи серии ИАТ применяются для выплавки алюминиевых сплавов. Плавка в них ведётся в основном при периодическом режиме с полным сливом металла после каждой плавки. Печи серии ИСТ могут использоваться также для плавки чугуна и ферросплавов.

Индукционные тигельные печи, как  правило, обладают большими достоинствами, важнейшие из которых – возможность  получения чистых металлов и сплавов  точно заданного состава, стабильность свойств получаемого металла, малый  угар металла и легирующих элементов, высокая производительность, возможность  полной автоматизации, хорошие условия  труда обслуживающего персонала, малая  степень загрязнения окружающей среды.

Недостатками индукционных тигельных  печей являются высокая стоимость  электрооборудования, особенно при  частотах выше 50 Гц, и низкий коэффициент  полезного действия при плавке материалов с малым удельным сопротивлением.

 

Рассмотрим принцип действия тигельной  печи. В основе работы  тигельной печи  лежит трансформаторный  принцип передачи  энергии индукцией  от  первичной  цепи  ко  вторичной. Подводимая  к  первичной  цепи  электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную,  которая  во  вторичной  цепи  переходит  снова  в  электрическую,  а  затем  в  тепловую. Индукционные  тигельные печи  также называют индукционными печами без сердечника. Печь  представляет  собой  плавильный  тигель, как  правило,  цилиндрической   формы, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к источнику   переменного тока (рисунок1.). Металлическая шихта (материал, подлежащий плавлению)  загружается в тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемый переменным током, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора. 

Рисунок 1.

1 – индуктор; 2 – расплав; 

3 – огнеупорный тигель

 

Магнитный поток в тигельной  печи проходит в той или иной степени  по самой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое  значение магнитные свойства, а также  размеры и форма кусков шихты.

Когда в качестве шихты применяют  ферромагнитные металлы, то до того момента, пока  их  температура  еще  не  достигла  точки  Кюри,              т.е. ~740÷770   С , их магнитная проницаемость сохраняет свою величину. В этом случае шихта будет играть роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого  сердечника. Иначе говоря,  при плавке  в тигельной печи ферромагнитных  металлов  разогрев шихты в первый  период (до  точки Кюри)  произойдет  не  только  за  счет  тепла,  выделяемого от  циркуляции  в ней вихревых токов, но и за счет потерь на ее перемагничивание, которое в этот период наблюдается в шихте. После точки Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи  становится  аналогичной работе воздушного трансформатора, т.е. трансформатора без сердечника.

Тигельная  печь  по  принципу  действия   подобна  воздушному  трансформатору. Мощность, а, следовательно, и тепло, выделяемое вихревыми токами, которые наводятся и циркулируют в садке, зависят от частоты переменного магнитного поля. При промышленной частоте 50 Гц концентрация энергии, выделяемой вихревыми токами, незначительна и не превышает несколько ватт на 1 см поверхности. Поэтому для эффективной работы печи без сердечника приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты, что достигается установкой специальных генераторов частоты.

Как  показали  теоретические  и  экспериментальные  исследования  печей без сердечника, частота  питающего тока может быть соответственно понижена в зависимости от диаметра садки, т.е. емкости печи, и удельного сопротивления расплавляемого металла. В частности, этими исследованиями определены следующие основные положения, которые позволили значительно упростить установку печей без сердечника:

–   каждой емкости печи и сопротивлению шихты соответствует своя оптимальная частота питающего тока. При частоте,  ниже  оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – почти не изменяется;

–   с увеличением емкости печи частоту тока можно соответственно снизить.

В результате  анализа отмеченных выше факторов (диаметра  садки и  сопротивления  шихты),  влияющих  на  частоту  питающего  тока,  было получено уравнение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и диаметра садки :

 

 

где  – минимальная частота тока, Гц;

– удельное сопротивление расплавленного металла;

  – диаметр садки. 

 

Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоскости витков обмотки, вызовет вихревые токи. 

Вследствие поверхностного эффекта  эти наведенные в садке токи достигают  максимальной величины на внешней поверхности последней и значительно уменьшаются от краев к середине. Такое уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру происходит по сложному закону (комбинация функций Бесселя).

При большом сечении проводника или при большой частоте тока уменьшение плотности  тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону.

Индукционные плавильные электропечи  в силу своей специфики имеют  и свои особенности эксплуатации, ведения процесса плавки, выполнения профилактических ремонтов.

Так, в печах промышленной частоты  необходимым условием нормальной эксплуатации является работа печи с неполным сливом расплавленного металла, т. е. с остаточной емкостью (с «болотом»).

Преимущества работы с остаточной емкостью:

 •  отсутствие  трудностей,  связанных  с  расплавлением   мелкой  кусковой шихты, 

•  увеличение срока службы футеровки  в условиях постоянного теплового  режима, 

•  выравнивание состава выплавляемого металла за счет буферного действия остаточной емкости.

Экспериментально установлено, что  с увеличением «болота» производительность печи заметно возрастает. Это объясняется, с одной стороны, улучшением условий теплопередачи от жидкого металла к твердой шихте (благодаря интенсивному движению жидкого металла),  а  с  другой —  увеличением  потребляемой  печью мощности. При  одном  и том же напряжении мощность, потребляемая печью, пропорциональна величине  заполнения тигля жидким металлом (в области рабочих витков индуктора). Наиболее рациональным режимом работы печей промышленной частоты являются  частые  отборы  металла  небольшими  порциями.  Величина  этих  порций определяется опытным путем, но находится в области 20 – 30 % от емкости тигля.

В  печах  средней  частоты,  которые  обычно  работают  с  полным  сливом металла, производительность во многом зависит от плотности укладки  шихты в тигле  и  ее  чистоты. В  этом  случае (при  плотной  укладке)  потребляется мощность,  близкая  к  номинальной,  и  плавка  по  времени  производится  быстро, близко к расчетному времени.

Ускорения  времени  плавки  можно  достичь  также  периодическим  уплотнением  шихты,  погружая  нерасплавленные  куски  шихты  в  уже  расплавленный  металл,  а  также  поддерживая  электрический  режим  на  номинальном уровне, т. е. напряжение, сила тока, мощность, cos   должны быть близкими к номинальным значениям. Возможны случаи, когда из-за большой индуктивности, при номинальной силе тока возбуждения генератора, напряжение на печи меньше номинального, в этом случае необходимо cos   поддерживать емкостным.

Возможным приемом ускорения плавки является последовательность загрузки шихты. Например, при  выплавке  отдельных  сплавов  алюминия, имеющих температуру плавления, меньшую, чем чистый алюминий (если шихта состоит из возврата и алюминия), вначале следует загружать возврат, а алюминий – в конце плавки.

При  применении  указанной  технологии  загрузки шихты  создаются  благоприятные  условия для стойкости тиглей, так как облегчается температурный  режим  плавки  и  уменьшается  химическое  взаимодействие,  между  набивной массой тигля и отдельными составляющими шихты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Определение геометрических соотношений в системе   индуктор – загрузка

 

Полезный  объём тигля,

 

,

 

где  G – номинальная емкость тигля, G=6000 кг;

– плотность алюминиевого расплава, =2400 кг/м _.

 

 

Внутренний  диаметр тигля, м

 

,

 

где   

– 3,14;

V– полезный объем тигля, V=16,67

 – коэффициент, учитывающий геометрию тигля из рисунок 2 /1/,      =1,4.

 

 

Высота  расплава в тигле, м

 

,

 

где

– внутренний диаметр тигля, =2,367 м;

=1,4.

 

 

Высота  внутренней полости тигля, м

 

,

 

где

– высота расплава в тигле, =3,465 м.

 

 

Внутренний  диаметр индуктора, м

 

,

 

где

– толщина футеровки в среднем сечении тигля;

– внутренний средний диаметр тигля, =2,475 м;

– толщина тепловой изоляции, располагаемой между футеровкой и индуктором, =0,1 м.

 

 

Толщина футеровки тигля, м

 

,

 

 

Примем  относительная высота индуктора,

. Высота индуктора, м

 

,

 

 

2 Выбор частоты источника питания  и определение высоты мениска металла

 

Необходимая частота тока определяется двумя  факторами: электрическим КПД индуктора  и уровнем циркуляции металла  в тигле. Чем выше частота, тем  выше КПД индуктора и ниже скорость циркуляции. Скорость циркуляции при  прочих равных условиях пропорциональна 

. Электрический КПД индуктора вначале быстро растёт с увеличением f, однако при достижении КПД меняется мало. Поэтому на практике нижний предел частоты определяется из выражения: