Печи литейных цехов

где   f min - минимальная  частота тока, Гц; 

        ρ 2- удельное сопротивление расплавленного металла;

        d - 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 дости-гают 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 умень-шение плотности  тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону.

 

1.3. Типы конструкций тигельной печи

 Индукционная плавильная тигельная печь (рис. 2.10) представляет собой цилиндрическую  электромагнитную  систему  с многовитковым индуктором  1. Поскольку загрузка 2 нагревается до температуры, превышающей температуру плавления, обязательным  элементом  конструкции печи  является  тигель —  сосуд, в который помещается расплавляемая шихта. В зависимости от электриче-ских  свойств  материала  тигля  различают  индукционные  печи  с  непроводящим (рис. 2.10, а) и проводящим  (рис. 2.10, б) тиглем. К  первой  группе  относятся  печи  с  диэлектрическим  керамическим  тиг-лем 3, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка (садка)  нагревается  индуктированным  в  ней  током,  тигель  же  эквивалентен  воздушному зазору.

 

Ко второй группе относятся  печи со стальным, графитовым или графито-

шамотным  тиглем  4,  обладающим  большей  или меньшей электропроводностью. Если толщина стенки тигля более чем вдвое превышает глубину проникновения тока в материал тигля, то можно считать, что индуктированный ток сосредоточен  в  стенке  тигля,  загрузка же прогревается  только путем  теплопередачи и может не обладать электропроводностью. При меньшей толщине стенки тигля электромагнитное поле проникает в загрузку и энергия выделяется как в стенке тигля, так и в самой загрузке, если она электропроводна. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию 5. По характеру рабочей среды индукционные тигельные печи можно разделить на открытые, работающие в атмосфере, и вакуумные. Конструкции вакуумных  печей  обеспечивают  как  плавку,  так  и  разливку  металла  в  вакууме, благодаря  чему  содержание  растворенных  в  металле  газов  получается  очень низким.

Индуктор и футеровка, основной частью которой является тигель, укреп-ляются в корпусе печи. Конструктивные детали корпуса располагаются вне индуктора на небольшом расстоянии от него, т. е. в области, пронизываемой магнитным  потоком  индуктора  на  пути  его  обратного  замыкания. Поэтому  в металлических деталях корпуса могут возникать вихревые токи, вызывающие нагрев.

Для уменьшения потерь в  корпусе у печей небольшой  емкости основные детали корпуса  изготавливаются из непроводящих материалов. Возможно также удаление металлических узлов корпуса на большее расстояние от индуктора, в область более слабого поля.

Однако  такое  конструктивное  решение приводит  к  резкому  увеличению габаритов печи и потому приемлемо лишь для печей  самой малой  емкости. У печей значительной емкости приходится узлы несущей конструкции защищать от внешнего поля индуктора.

Для  защиты  используют  магнитопровод  в  виде  вертикальных  пакетов трансформаторной стали, располагающихся  вокруг индуктора, или электромагнитный экран между индуктором и корпусом в виде сплошного кожуха из листового материала  с малым  удельным  сопротивлением;  потери  в  таком  экране невелики. Таким образом, в соответствии с методом снижения потерь в корпусе индукционные тигельные печи делятся на три класса:

 а) неэкранированные; 

б) с магнитопроводом; 

в) с электромагнитным экраном.

 Крупные тигельные печи работают на частоте 50 Гц; с уменьшением емкости печи частота тока должна повышаться, чтобы сохранилось соотношение между  глубиной  проникновения  тока  и  диаметром  загрузки,  обеспечивающее высокий КПД индуктора.

По  частоте  питающего  тока  индукционные  тигельные  печи  можно классифицировать следующим  образом:

а) высокочастотные с питанием от ламповых генераторов;

б)  работающие  на  частоте 500—10000  Гц  с  питанием  от  вентильных

или машинных преобразователей частоты;

в) работающие на частотах 150 и 250 Гц с питанием от статических  ум-

ножителей частоты;

г) работающие на частоте 50 Гц с питанием от сети; при значительной

мощности оборудованные  симметрирующими устройствами.

Керамический  тигель  индукционной  тигельной  печи  имеет  простейшую форму и надежен в эксплуатации. По этой причине тигельная печь является самым распространенным типом индукционной печи.

Принцип  работы  всех  тигельных  печей  одинаков  и  соответственно  оди-наково их назначение. Разнообразие применения определяет и различие конструктивных форм. 

Существуют три конструкции, различные по способу проведения магнит-ного потока с внешней стороны  индуктора (рис. 2.11): 

а) магнитный поток проходит по магнитопроводам из трансформаторной стали; 

б) магнитный поток проходит по воздуху, стальные конструктивные час-ти  защищаются  от  интенсивного  нагрева  с  помощью  медного  листа,  экранирующего магнитное поле; 

в) магнитный поток проходит по воздуху.

Эти  три  варианта  имеют  наимено

вания: 

 а) закрытая конструкция; 

б) экранированная конструкция; 

в) открытая конструкция. 

 Открытая  конструкция.  Вне  тиглямагнитное поле проходит по воздуху. Открытая  конструкция  в  основном  целесообразна для малых печей. 

Закрытая  конструкция.  В  такой  конструкции  магнитный поток вне катушкипроходит  по  радиально  расположеннымпакетам трансформаторной  стали магнитопроводам.  Число  магнитопроводов  и их  параметры  зависят  от  габаритов  печи мощности и частоты. Закрытые конструкции  используют  почти  исключительно   в печах   промышленной   частоты  и  в  индукционных  печах  повышенной  частотыбольшой емкости.

Экранированная  конструкция.  Конструкция  также  компактная,  что,  однакодостигается  ценой дополнительных  затрат.  Кроме  того,  замкнутый  экранирующий  кожух  не  позволяет  осуществитьудобное  и  всестороннее  наблюдение  заиндуктором. В связи с этим конструкция не может получить широкого применения [20]. 

Диапазон  емкостей  индукционных   тигельных    печей    очень    широк.  В   качестве  примера  печи  минимальной емкости  (0,1 кг) можно указать отечественную установку для литья зубных протезов из нержавеющей стали, а максимальной (120  т) — печь фирмы «Юнкер» (ФРГ), предназначенную для отливки крупных судовых винтов из бронзы.

Наибольшее  распространение  в  промышленности  получили  печи  емкостью более 140 дм3. Печи этой группы работают на промышленной частоте или на повышенных частотах. Индукционная единица (индуктор вместе с несущей крепежной конструкцией, встроенный в кожух, образованный магнитопроводами и жесткими профилями стали) в этих печах с  помощью болтового соединения подвешивается к опрокидывающейся раме,  вместе  с  которой поворачивается  вокруг  сливного носка при разливке.

Межвитковая  изоляция  индуктора  осуществляется  изоляционными  про-кладками, рассчитанными на витковое напряжение. Индуктор в целом покрыт изоляционным материалом, обеспечивающим его изоляцию от конструктивных элементов печи, имеющих потенциал земли.  Снаружи  индуктор  полностью  защищен  от  проникновения  пыли  и  брызг  за-щитной облицовкой. Внутри индуктор обмазан керамической массой, имеющей хорошие электроизоляционные  свойства.  Благодаря  этому  создается гладкая плотная опора для рабочей футеровки. На внутренней поверхности индуктора выложен слой асбеста, толщина которого выбирается такой, чтобы обеспечить перепад температуры, необходимый для хорошей стойкости футеровочной массы. Этот перепад выбирается таким образом, чтобы образовался тонкий, прочный,  оплавленный  слой (примерно 1/3  всей толщины),  прочный спеченный слой (примерно 1/3)  и  ближе  к  индуктору –  рыхлый  слой,  хорошо  воспринимающий  деформации,  связанные  с  температурными  изменениями. В  противо-положность этому асбестовый слой должен быть плотным.  Для стойкости керамического тигля является чрезвычайно важным то, чтобы путем тщательного нанесения  асбеста (в  случае  необходимости  предварительно  увлажненного  и затем высушенного с сохранением формы) образовалась гладкая, жесткая опора для набивного слоя.

Изоляция  индуктора  выполняется  таким  образом,  чтобы  из  тигля  через индуктор могла удаляться влага. Пакеты трансформаторной стали встраиваются в конструкцию из стальных профилей и могут быть установлены вплотную к индуктору. При  тщательной  стяжке магнитопроводов, постоянном  контроле и подтягивании их в процессе  эксплуатации создается очень жесткое цилиндри-ческое  тело, в котором расположен набивной  тигель. Число и размеры магни-топроводов определяются габаритами и производительностью печи. Пакеты  так  встраиваются  в  конструкцию  печного кожуха,  чтобы они могли  быть  хорошо  закреплены  около  индуктора,  а  в  случае  их  повреждения  могли бы быть отдельно заменены без демонтажа его и выбивания тигля. Верхняя опрокидывающаяся рама установлена на основной раме вместе с двумя  своими  опорами.  В  ней  расположено вращающееся крепление обоих гидравлических цилиндров наклона. Тигель  закрывается футерованной  крышкой. Эта  крышка может  выполняться как поворотная или откидная. Поворотная крышка имеет то преимущество, что она, будучи полностью открытой, со всех сторон обеспечивает доступ к расплаву или подаче шихты и, в частности, сзади в отличие от откидной. Так как баланс преимуществ и недостатков  зависит от местных производственных условий, то для реализации может быть выбран тот ли другой вариант выполнения крышки. В обоих случаях крышка приводится в действие гидравлически от маслонапорной установки.

Чтобы  обеспечить широкие  возможности  при  эксплуатации  индукцион-ной  тигельной  печи,  необходимо  иметь  возможность  подачи  энергии  к  печи также  и  в  наклонном  положении (не  возникает  трудностей  с  поддержанием расплава в разогретом состоянии при любом наклоне).

Питание  электрическим  током  осуществляется  через  кабель,  охлаждаемый  водой,  который  в  связи  с  этим  выполняет  также функции водоподвода. Общее снабжение водой может предусматривать также использование раздельных шлангов. Установка печи  должна  быть  выполнена  так,  чтобы  обеспечить хорошее наблюдение и контроль за печью. Надежное с точки зрения прорывов металла  конструктивное  выполнение  подвала  печи  осуществляется  путем  выполнения специального приемного котлована, а также путем защищенной прокладки  водо-  и  маслоподводов  и  керамической  облицовки  всех  важнейших  конструктивных элементов.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ  ПЕЧИ

 

 В данной  главе  приводятся последовательность  инженерного  электриче-ского  расчета с элементами расчета  по [2, 3, 6, 7] индукционной тигельной печи и примеры расчета по отдельным этапам. Для проведения электрического расчета в качестве исходных данных необходимо знать:

-  наименование  расплавляемого  металла  или  марку  сплава  и  его состав;

-  конфигурацию и характерные  размеры кусков шихты; 

-  исходную  температуру   загружаемой  шихты,  для  ферромагнит-ных материалов –  температуру  точки Кюри,  температуру  плавления и температуру  разливки;

-  удельные  электросопротивления  шихты  для  вышеуказанных температур;

-  теплосодержание или   энтальпию,  теплоемкость и   скрытую  теплоту плавления  металла или  сплава  для  вышеуказанных  температур;

-  емкость тигля; 

-  производительность  печи; 

-  длительность процесса  плавки;

-  длительность вспомогательных  операций;

-  параметры питающей  сети.

 

 

2.1.  Расчет мощности индукционной тигельной печи

Полезная мощность ИТП  определяется по выражению 

где q- теплосодержание расплавляемого металла или сплава при         температуре разливки, Дж/кг;

       G  - емкость печи, т;

        t - время  плавки, ч. 

Если известна энтальпия  металла или сплава при температуре разлив-

ки, то полезная мощность ИТП  определяется по выражению 

Суммарные тепловые потери  ∆ составляют  35− 5 % полезной мощности  печи , причем  меньшая  цифра  относится  к  печам  большей  емкости. Термический  КПД ()  индукционной  тигельной печи  обычно  составляет 75−95% и определяется по выражению

Активная мощность , передаваемая в загрузку (садку) ИТП определяется по выражению

 

Активная  мощность   ИТП ориентировочно  определяется  по  выражению

где   -  электрический КПД  индуктора ИТП.  Значение может  составлять70−95 %. Это значение  тем выше, чем больше удельное  сопротивлениерасплавляемого металла или сплава.  По  данным [6],  при плавке  алюминия η= 5 0÷6 0, при плавке чугуна и стали η=0. 85÷7 0

Мощность  источника  питания    должна  быть  несколько больше   (на  5÷10%) активной мощности . Это связано с тем, что источник питания должен покрывать потери   в токоподводе и в конденсаторах.

 

Мощность источника питания  определяется по выражению 

      

После определения ориентировочной  мощности печной установки и выбора частоты тока производится подбор источника питания.

 

 

 

2.2Расчет печи

 

 Рассчитать мощность источника питания индукционной тигельной печи емкостью  G = 0,5т. Печь  предназначена  для  плавки  стали, имеющей следующие характеристики: