Расчет и проектирование индукционной канальной печи барабанного типа емкостью 10 тонн для выплавки чугуна

 

 

 

 

2 Расчёт основных параметров печи

 

Назначение  печи – плавка чугуна

Емкость печи – Q = 10 т

 

Полная емкость  печи с учетом «болота»:

 

М_n = W(1,3…1,5) = 10 · 1,3 =13 т

 

Полезный  объем ванны, м³:

 

 

 

где ρ – плотность чугуна, 6,7 • 10³ кг/м³

 

Для данной производительности печи принимаем  ванну барабанного типа. Расчет размеров такого барабана ведем по формуле:

 

Внутренний  диаметр печи, м:

 

 

 

Где для печи емкостью более 3 т, B = 1,25...1,35.

 

Длина печи, м:

 

 

 

 

 

 

3  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ

 

Активная  мощность печи, кВт:

 

999 кВт

 

где i_л – теплосодержание чугуна при температуре нагрева, 1100 кДж/кг.

       ή – полный КПД печи. Предварительно  принимаем равный 0,75.

 

Количество  индукционных единиц

 

 

где Р_ц – рекомендуемая мощность индукционной единицы для чугуна 500 кВт.

 

Принимаем две индукционные единицы.

 

Сечение стали  магнитопровода, м²:

 

 ,

 

где С – коэффициент, зависящий от конструкции трансформатора, для трехфазного – 0,2

ψ -  отношение  массы стали магнитопровода к массе меди, для воздушного         принудительного охлаждения 5…25

В_m – предельно допустимая магнитная индукция в магнитопроводе, 1,2 Тл.

δ₁ – плотность тока в индукторе, принимаем 15 А/мм².

f – частота  питающего тока, 50 Гц.

cosφ –  коэффициент мощности, для чугуна и стали 0,7...0,8. Принимаем 0,75.

Допустимое  минимальное сечение 3 · 10 ^–2 м², поэтому принимаем

           

=  3 · 10 ^–2 м².

Сечение магнитопровода с учетом изоляции, между пластинами, м²:

                                            

S_M =

/ К_с = 0,03 ∙ 0,9 = 0,03,

 

где К_с – коэффициент учитывающий толщину изоляции: 0,9…0,93.

 

Диаметр окружности, описанной вокруг сердечника магнитопровода, м:

 

 м,

 

где - коэффициент заполнения окружности сердечника магнитопровода, зависящий     от числа ступеней сечения сердечника. = 0,83…0,88. Принимаем = 0,85.

 

Число витков индуктора, шт.

 

шт,

 

где u₁ – напряжение на индукторе, В. Принимаем u₁ = 500 В.

 

Ток в индукторе, А:

 

 

 

Сечение меди индуктора, мм²:

 

По полученном значении выбираем медную трубу диаметром  d_тр =14мм =0,014м. Тогда сечение меди индуктора S_n = 196 мм² = 0,000196 м².

 

Внутренний  диаметр индуктора, мм:

 

d₁ = d_M + 2b_из = 0,212 + 2 ∙ 0,01 = 0,232 мм,

 

где  b_из – толщина изолирующего цилиндра, м. Принимаем изолирующий слой бакелит, где b_из для бакелита 0,008…0,01 м. Принимаем 0,01.

 

Средний диаметр  индуктора, м:

 

d1_ср = d₁ + b_и = 0,232 + 0,014 = 0,246 м,

 

где b_и – радиальный размер трубки индуктора, м.

 

Высота индуктора, м:

 

h₁ = n · h_ш = 63 · 0,014 = 0,882 м,

 

где h_ш – высота трубки индуктора. Для круглой трубки h_ш = d_тр.

 

Ток в канале печи, А:

 

I₂ = I₁ · n = 4277 ∙ 63 = 269451 А.

 

Площадь сечения  канала, м²:

 

 м²,

где - предельная допустимая плотность тока в канале печи. Для чугуна = 5 А/мм².

Толщина футеровки  канальной части печи для плавки чугуна рекомендуется принимать 180…200 мм. Принимаем b_ф = 190  мм = 0,19 м.

Радиальный  размер канала, м:

 

b_в = 0,75 · Δ₂ = 0,75 ∙ 0,08 = 0,06 м,

 

где Δ₂ – глубина проникновение тока в расплавленный металл, для чугуна Δ₂ = =0,08 м

    

Осевой размер канала прямоугольного сечения, м:

 

h_k =

м.

 

Проверяем отношение  размеров канала

 

h_k/ b_в = 0,898 / 0,06 = 14,97 > 5.

 

По этому  принимаем два параллельных канала с осевым размером, м:

 

h_k1 = 0,5 h_k  = 0,5 · 0,898 = 0,449 м.

 

Перемычка между  каналами, м:

 

b_п = 2 b_в = 2 · 0,06 = 0,12 м.

 

Внутренний  диаметр канала, м:

 

d₂ = d_1cp+ b_п + 2b_в = 0,246 + 0,12 + 2 · 0,06 = 0,486 м.

 

 

3.1 Проверочный расчет

 

Длина канала складывается из половины окружности канала плюс две высоты h₀:

l_k = 0.5l_окр + 2h₀ = 0.5π(d₂ + b_в) + 2(0,5d₂ + 0,1) = 0,5 · 3,14 · (0,486 + 0,06) + 2 · (0,5 · 0,486 + 0,1) = 1,543 м.

Активное  сопротивление индуктора, Ом:

 

 Ом.

 

Активное  сопротивление канала, Ом:

 

= 0,00024 Ом.

 

где ₂ – удельное электрическое сопротивление чугуна ₁ =  11 · 10 ^{– 7} Ом · м.

 

Поперечное  сечение потока рассеяния при  контуре канала, близком к окружности, м²:

 

S_p = π · d_s · b_ср = 3,14 · 0,426· 0,143 = 0,191 м²,

 

где d_s – расчетный диаметр воздушного зазора, м

       b_ср – приведенное среднее расстояние между индуктором и каналом  

 

d_s = (d₂ + d_1H) · 0.5 = (0,486 + 0,366) · 0,5 = 0,426,

 

где d_1H -  наружный диаметр индуктора

 

d_1H = d_1ср + b_п = 0,246 + 0,12 = 0,366,

 

b_ср = b_п + 0,33(b_в +0,01) = 0,12 + 0,33· (0,06 + 0,01) = 0,143,

 

Индукционное  сопротивление системы индуктор – канал, Ом:

 

X = 8 · f · n ² · S_p· k_p· k_s · 10^-6 · 1/h₁=8 · 50·63² · 12 · 0,318 · 1,392 · 10^-6 · 1/0,882 = 1,257 Ом,

 

где k_p – коэффициент Роговского

k_s -  коэффициент, учитывающий изменение индуктивности при неравенстве высот индуктора и канала.

0,318

 

 1,392

 

где                             

 

Активное  сопротивление системы индуктор –  канал, Ом;

                          

= 0,0039 + 0,00024 · 63² = 0,978 Ом.

          

Полное сопротивление  системы индуктор – канал, Ом;

 

9,609 Ом.

 

Коэффициент мощности системы индуктор – канал, Ом;

 

 

Так как cosφ  по значению больше ранее принятого (cosφ = 0,75) то расчет выполнен правильно.

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте была спроектирована индукционная канальная печь барабанного типа для плавки чугуна емкостью 10 тонн. Были произведены следующие расчеты: расчет габаритных размеров печи, рассчитаны параметры индуктора, рассчитаны параметры магнитопровода, определена требуемая мощность  источника питания и коэффициент полезного действия установки.

В литейных цехах с каждым годом всё более  широкое применение находит плавка чёрных и цветных металлов в индукционных плавильных печах. Индукционные плавильные печи по сравнению с другими плавильными агрегатами обладают существенными преимуществами. К ним относятся: отсутствие источников загрязнения жидкого металла; высокий равномерный нагрев всей массы металла вследствие его перемешивания под воздействием электродинамических сил; более низкий угар легирующих элементов; высокий электрический КПД; возможность плавки и разливки в вакууме или в атмосфере защитного газа.

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.