Индукционные канальные печи

В канальных печах  всегда должно находиться определенное количество жидкого металла. Это количество определяют исходя из того, чтобы масса столба жидкого металла над каналом превышала электродинамическую силу, выталкивающую металл из канала.

В канальных печах  могут быть ванны различных форм. Металл выдают из печи поворотом или наклоном ванны, а в некоторых случаях созданием избыточного давления газа над уровнем металла в ванне. Для этого печь выполняют герметичной, и в нее подают воздух или инертный газ. Под давлением газа уровень металла в ванне снижается, и нужное его количество вытекает из печи по сифонному желобу.

 

Достоинства и недостатки канальных  печей

 

К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести:

1. Минимальный угар (окисление)  и испарение металла, так как  нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру.

2. Малый расход энергии  на расплавление, перегрев и выдержку  металла. Канальная печь имеет  высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода.

В то же время высок  и тепловой КПД печи, так как  основная масса расплава находится  в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.

3. Однородность химического  состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилия-ми. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.

К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся:

1. Тяжелые условия  работы футеровки канала – подового камня. Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава, при плавке сплавов, содержащих химически активные компоненты (например, бронзы, имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания каналов.

2. Необходимость постоянно  (даже при длительных перерывах  в работе) держать в печи сравнительно  большое количество расплавленного  металла. Полный слив металла  ведет к резкому охлаждению  футеровки каналов и к ее растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной марки выплавляемого сплава на другую. В этом случае приходится проводить ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют состав сплава от исходного до требуемого.

3. Шлак на поверхности  ванны имеет низкую температуру.  Это затрудняет проведение нужных  металлургических операций между  металлом и шлаком. По этой  же причине, а также ввиду  малой циркуляции расплава вблизи  поверхности затруднено расплавление стружки и легкого скрапа.

 

 

Расчет индукционной канальной печи.

 

Исходные данные для  расчета печи: назначение, режим  работы, производительность, температура  перегрева, свойства расплавляемого металла, напряжение и частота питающего  тока.

Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу,

Рпол qтеор

где qтеор -теоретический  удельный расход энергии на перегрев металла на 1 С, — температура перегрева металла, °С.

Активная мощность печи, кВт,

,

где -термический КПД печи, равный 0,85—0,95.

3. Активная мощность индукционной единицы, кВт,

 

где N — число индукционных единиц на печи.

Глубина проникновения  тока в жидкий металл, м,

5. Форма поперечного сечения канала.

Поперечное сечение  канала может быть круглым, эллипсоидальными прямоугольным с закругленными углами, причем большая ось эллипса или прямоугольника расположена параллельно оси первичной катушки. Размер канала в плоскости, перпендикулярной оси катушки, называют шириной канала bк , а в плоскости, параллельной оси катушки,- высотой канала hK. 
Ширина канала при плавке чугуна 60-120 мм. Высота канала в 1,5-3 раза больше его ширины.

Сечение магнитопровода, см2,

S

где отношение массы стали магнитопровода к массе меди первичной катушки: 5-25 при воздушном принудительном охлаждении катушки, 0,9—1,3 при водяном; В — магнитная индукция в магнитопроводе, Т; j -допустимая плотность тока в катушке, А/мм2: 4 при воздушном охлаждении и 20 при водяном; cos — коэффициент мощности индукционной единицы (для предварительных расчетов 0,6-0,75 для чугуна и 0,4-0,5 для алюминия).

Диаметр сердечника магнитопровода, мм,

,

где kd-коэффициент заполнения окружности сердечником (0,78-0,88)

Наружный диаметр первичной  катушки, мм,

dкат=dмг+2sкат,

где sкат- толщина катушки, зависящая от числа рядов намотки  и равная 20-50 мм.

Внутренний диаметр  канала, мм,

dк.в.= dкат+2s1+2s2,

где s1- толщина футеровки  между каналом и катушкой, мм: 70-120 при плавке алюминия,135-180 чугуна, 65-70 сплавов на медной основе и цинка ; s2- зазор между катушкой и футеровкой, равный 10-15 мм.

Средний диаметр канала

dк.ср= dк.в+bк,

11. Длина канала. Построив  по полученный данным эскиз  индукционной единицы, находим  длину канала. Под длиной канала  подразумевается длина замкнутого контура, проходящего как по самому каналу, так и по ванне печи.

12. Активное сопротивление канала, Ом,

R=

13. Индуктивность канала  определяется как сумма внешней  и внутренней индуктивностей  отдельных его участков. Внешнюю  индуктивность определяют для  пространства, заключенного между  каналом и первичной катушки.  Внешняя индуктивность какого- либо участка, Г,

-10-7,

Где lk-1- Длина данного  участка канала, м; R1- расстояние от оси канала до катушки или противоположного участка канала, м ; R2- расстояние от оси канала до поверхности канала, т. е. R2= bк/2.

Внутреннюю индуктивность  определяют для пространства, занимаемого самим каналом, Г,

Lк.в= .

14. Индуктивное сопротивление  канала, Ом,

15. Полное сопротивление  канала

16. Активное сопротивление  в канале, В,

Uа.к=

Угол cos канала

cos = .

Полное напряжение в  канале, В,

.

Полная мощность индукционной единицы, к . Пренебрегая потерями в первичной катушке и магнитопроводе,

Реактивная мощность индукционной единицы, квар,

Полная мощность печи, к ,

Р=NP

Реактивная мощность печи, квар,

Рр=NP

Число витков первичной  катушки

W= ,

Где U1- напряжение, подаваемое на первичную катушку и зависящее от выбранного типа трансформатора, В.

Ток в первичной катушке, А,

.

Поперечное сечение  витка первичной катушки, мм2,

Sвит= ,

Где j1- допустимая мощность тока в катушке.

Ширина витка катушки, мм,

bвит ,

глубина проникновения тока в катушку, мм.

Высота витка катушки

h = .

Длина первичной катушки

,

Где h -толщина изоляции между витками; kсл – число слоев витков в катушке.

 

2.1 Пример расчета индукционной канальной печи.

 

Рассчитать индукционную канальную печь для перегрева чугуна:

назначение печи —  перегрев жидкого чугуна;

температура перегрева 100°  С;

производительность печи 40 т/ч;

температура чугуна, заливаемого  в печь, 1400°С;

напряжение питающей сети 6000 В;

частота питающей сети 50 Гц.

1. Полезная тепловая мощность, передаваемая жидкому металлу:

= 0,23кВт-ч/т ,

Р = tП= = 920 кВт.

Активная мощность печи. Принимаем  =, тогда,

Ра= .

3. Активная мощность  индукционной единицы.

.

4. Глубина проникновения  тока в жидкий металл

м.

5. Форма поперечного сечения канала. Примем канал прямоугольной формы, ширина которого равна глубине проникновения тока в жидкий металл, а высота в 1,5 раза больше его ширины, т. е. bк = =76 мм, hк=l,5 bк = 114 мм. Радиус закруглений в углах канала примем 20 мм, тогда площадь поперечного сечения канала

Sк=bкhк- 0,86r2=0,07 м2

6. Сечение магнитопровода. Принимаем =10, B=l,5 T,j1 =2 А/мм2, 
cos =0,75, тогда

S см2,

7.  Диаметр сердечника магиитопровода. Принимая kd=0,85, получим

d мм.

8.  Наружный диаметр первичной катушки. Принимаем толщину катушки35 мм, тогда

d мм.

9.  Внутренний диаметр канала. Принимая толщину футеровки 135 мм и зазор между катушкой и футеровкой 15 мм, получим

d мм.

10. Средний диаметр  канала

d мм.

11. Длина канала. Вначале  делаем эскиз канала (рис. 51). Длину канала определяем по длине его средней линии. По длине канал состоит из четырех участков: одного криволинейного длиной 1234 мм, двух вертикальных каждый длиной 393 мм и одного горизонтального длиной 786 мм, т. е.

= 1234 + + 786 = 2806 мм.

12. Активное сопротивление канала

R Ом.

13. Индуктивность канала. Для принятой формы канала (см. рис. 3) внешняя индуктивность его отдельных участков различна (рис.4).

Внешняя индуктивность  криволинейного участка R1=188 мм, R2=38 мм, мм (рис. 4,поз. 1), тогда

L Г.

 

 

Рисунок 3 - К расчету размеров индукционной единицы канальной печи

 

Найдем внешнюю индуктивность  вертикального участка длиной 205 мм (рис. 4, поз. 2 и 5). На этом участке R1 изменится  от 188 до 393 мм. Примем R1=(188+393) :2=290,5 мм, R2=38 мм, тогда

L Г.

Найдем внешнюю индуктивность  вертикального участка длиной 150 мм. Примем R1=748 мм, R2=0,038 мм, мм (рис. 4, поз. 3 и 4), тогда

Г.

Найдем внешнюю индуктивность  горизонтального участка (рис. 4, поз. 6) На этом участке R1 изменяется от 188 до 728 мм. Примем R1 = (188+728):2=458 мм, R2=0,038 мм, =710 мм, тогда

Г.

Учитывая все участки  канала, внешняя его индуктивность

 Внутренняя индуктивность канала

Г.

Индуктивность канала

Г.

14. Индуктивное сопротивление  канала

Ом.

 

Рисунок 4 - К расчету  индуктивности канала

 

15. Полное сопротивление канала

Ом.

16. Активное напряжение в канале

 В.

17. Cos канала

18. Полное напряжение  в канале

В.

19.Полная мощность  индукционной единицы

20. Реактивная мощность индукционной единицы

 квар.

21. Полная мощность  печи 

Р = NPинд = = 1462 .

22. Реактивная мощность печи

Рр = NPр.инд = = 984 квар.

23.Число витков первичной  катушки.

Выбираем трансформатор  со следующей характеристикой: первичное  напряжение 6000 В, вторичное напряжение (11 ступеней) 333, 469, 575, 666, 742, 802, 863, 939, 999, 1045 и 1090 В. Принимаем, что мощность индукционной единицы будет 541 кВт при подключении ко вторичной ступени напряжением 939 В. При этих условиях

 витков.

Примем W=46 витков.

24. Ток в первичной катушке

A.

25. Поперечное сечение  витка первичной катушки. Принимаем,  что допустимая плотность тока  в катушке 2 А/мм2, тогда

 мм2.

26. Ширина витка катушки.

Наименьшая ширина витка  из меди ( мм)

мм.

Принимаем bвит=16 мм.

27. Высота витка катушки

мм.

Длина первичной катушки.

Для уменьшения длины  катушки принимаем навивку в два слоя и толщину изоляции 1,5 мм, тода

мм.

 

Заключение

 

Печи индукционные канальные  по принципу действия основаны на использовании  тока короткого замыкания. Трансформатор  индукционной единицы выполнен так, что петля жидкого металла, является короткозамкнутой обмоткой, разогревающейся при пропускании тока. Во избежание разрыва цепи вторичной обмотки в печи постоянно должно находиться некоторое количество металла («болото»). Мощность индукционной единицы ограничивается огнеупорностью футеровки, поэтому для печей большой вместимости приходится устанавливать несколько таких единиц. Индукционно канальные печи более совершенны, чем индукционно тигельные печи: у них более высокий КПД, поэтому меньше расход энергии и, следовательно, требуется меньше конденсаторных батарей.