МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) «Политехнический институт»
Факультет «Энергетический»
Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»
Пояснительная записка
Расчет индукционной тигельной печи
Ахметшин Денис Арсенович
К СЕМЕСТРОВОЙ РАБОТЕ №1
по дисциплине «История и методология науки и техники»
ЮУрГУ
|
Нормоконтролер: ______________/Ю.С. Приходько/ «____»______________2020 г. |
Руководитель: ____________/Ю.С. Приходько / «____»_____________2020 г. Автор, студент группы П-189 ____________/Д.А.Ахметшин/ «__» ______________ 2020 г. Работа защищена с оценкой _______________________ _________________2020 г. |
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) «Политехнический институт»
Факультет «Энергетический»
Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики
__________________К.В. Осинцев
«____» _________________ 2020 г.
ЗАДАНИЕ на семестровую работу студенту
Ахметшину Денису Арсеновичу
Группа П-189
1. Дисциплина «История и методология науки и техники»
2. Тема семестровой работы: «Расчет индукционной тигельной печи».
3. Срок сдачи студентом законченной работы
4.Перечень вопросов, подлежащих разработке:
Введение
1 Определение Р, х, T в характерных точках процесса; определение работы изменения: внутренней энергии Дu, энтальпии Дh, энтропии Дs рабочего тела во всех процессах цикла; термический КПД цикла зt и термический КПД цикла Карно зtk построенного в том же интервале температур
2 Построение цикла Р-х и T-s координатах в масштабе с расчетом параметров процессов в 2-3 промежуточных точках
Заключение
Библиографический список
Руководитель __________________________/Ю.С. Приходько/
Студент __________________________________/Д.А. Ахметшин
Аннотация
Д.А. Ахметшин, Расчет индукционной тигельной печи - Челябинск: ЮУрГУ, П-189, 2020, 28 с. 10 ил. 1 табл, Библиографический список - 4 наименований.
В задании в семестровой работе тигельной индукционной печи указывается наименование и состав металла или сплава, который будет выплавляться в печи, его характеристика (температура плавления и разливки, удельное сопротивление в холодном состоянии, при температуре точки Кюри, в расплавленном состоянии и пр.), производительность агрегата или его емкость, параметры электрической сети, к которой будет присоединена установка.
Итогом проектирования печи является определение ее рациональнальных конструктивных особенностей с установлением основных геометрических размеров, электрических параметров агрегата (активной мощности, частоты, напряжения и числа витков индуктора, реактивной мощности конденсаторной батареи и др.), технико-экономические показатели работы установки.
Оглавление
Введение
1. Расчет и проектирование тигельных индукционных печей
2. Расчет активной мощности печи
3. Выбор частоты и параметров преобразователя
4. Электрический расчет печи
5. Расчет охлаждения индуктора
6. Энергетический баланс
Заключение
Библиографический список
Введение
Современная индукционная тигельная печь состоит из следующих основных конструктивных элементов: корпуса с ферромагнитным или электромагнитным экраном, индуктора с водяным охлаждением, изготовляемого из полой медной трубки, огнеупорной футеровки, вспомогательных устройств (механизма наклона печи, механизма поворота свода, контактного устройства) [1].
Основой индукционной печи, объединяющей отдельные ее элементы в единое целое, является корпус. Его металлические части, находящиеся во внешнем магнитном поле индуктора, поглощают часть его активной мощности и нагреваются. Для снижения электрических потерь корпус печи изготовляют из немагнитных материалов. В печах малой мощности, то есть до 1 тонны, используют дерево или асбоцемент, соединяемые при помощи немагнитных крепежных изделий, например, латунные шпильки, накладки. Корпуса печей большей емкости изготовляют полностью из немагнитной стали, меди, бронзы или алюминия в виде конструкций, не образующих замкнутых контуров [1]. Современная индукционная тигельная печь серии индукционная сталеплавильная тигельная представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Индукционная тигельная печь серии ИСТ а) - средней емкости;
б) - большой емкости; 1 - футеровка; 2 - сигнализатор контроля состояния тигля; 3 - индуктор; 4 - корпус; 5 - свод; 6 - механизм подъема и поворота свода; 7 - внешний магнитопровод; 8 - механизм наклона печи
Уменьшение электрических потерь внутри корпуса может быть достигнуто либо увеличением размеров корпуса печи, либо путем установки между корпусом печи и индуктором дополнительного магнитопровода, то есть электрического экрана, выполненного в виде металлической вставки из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением. В этом случае магнитный поток вне полости индуктора, проходящий через внешний магнитопровод, который зависит от соотношения длин магнитопровода hмп и индуктора hи, а также соотношения наружного диаметра индуктора Dи и диаметра внутренней окружности магнитопровода Dмп [2]. Размещение пакетов внешнего магнитопровода показано на рисунке 2.
Рисунок 2 - Размещение пакетов внешнего магнитопровода
Для существенного снижения величины электрических потерь в корпусе печи можно использовать электромагнитный экран в виде замкнутого цилиндрического листа. Его выполняют из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий), толщиной равной 1,5…2,0 глубины проникновения тока и располагают между индуктором и корпусом печи [3].
Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля заданной напряженности, который индуцирует ток в нагреваемых материалах. В процессе плавки индуктор испытывает радиальные электродинамические усилия, вызванные вибрациями, расширением футеровки, усилиями, возникающими при наклоне печи для слива металла. Кроме того, при расплавлении металла через индуктор проходит существенный тепловой поток от расплавляемого материала. Для предотвращения перегрева индуктора и преждевременного выхода его из строя применяется водяное охлаждение [1]. Это позволяет уменьшить электрические потери и обеспечить надежную электроизоляцию и безаварийность работы агрегата. Индуктор изготовляют в виде однослойной цилиндрической катушки из медной полой трубки специального профиля, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 - Профили трубки индуктора: а) - круглый (ГОСТ 617-72); б) -овальный; в) -квадратный (ГОСТ 16774-71); г) - прямоугольный (ГОСТ 16774-71); д) -неравностенный (D -образный)
Водяное охлаждение обеспечивает надежность отвода теплового потока от расплавленного металла через футеровку тигля при обеспечении следующих условий [1]:
а) температура воды не должна превышать температуры выпадения солей жесткости (35…45оС) для предотвращения образования накипи внутри трубок и ухудшения теплоотвода от них;
б) температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающей среды. В противном случае будет происходить конденсация паров воды и запотевание индуктора, что может привести к пробою изоляции между витками;
в) напор потребляемой воды не должен превышать 2 атм. с целью обеспечения возможности использования обычной водопроводной воды. Для этого система водяного охлаждения может быть секционирована при параллельном соединении секций охлаждения.
Огнеупорная футеровка тигельной индукционной печи состоит из тигля, образующего плавильное пространство и определяющего емкость печи; подины, служащей основанием, на которое устанавливаются тигель и индуктор; леточной керамики (носка), предназначенной для формирования струи жидкого металла при сливе его из тигля; воротника, соединяющего тигель и леточную керамику; крышки, футерованной шамотными огнеупорами [2].
Тигль должен обеспечивать удобство ведения металлургического процесса при минимуме тепловых потерь, максимальном электрическом КПД и достаточную механическую прочность. Для удовлетворения этим требованиям, по практическим данным, соотношение среднего внутреннего диаметра тигля dо и высоты тигля h должно составлять do/h=0,6…1,0 при средней толщине стенки Дт=(0,1…0,25)do, продолное сечение тигеля показано на рисунке 4.
Рисунок 4 - Продольное сечение тигля
Стойкость тигля определяет длительность работы печи между ремонтами. Вовремя плавки тигель испытывает тепловое, коррозионное и эрозионное воздействие жидкого металла, химической коррозии шлака, статическое давление столба жидкого металла, механические усилия при загрузке шихты и ведении плавки. Поэтому к огнеупорным свойствам и качеству футеровки предъявляют особые требования [1]:
- материал тигля должен обладать высокой огнеупорностью и термостойкостью, химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;
- сохранять теплоизоляционные свойства и минимальную электропроводность во всем диапазоне рабочих температур;
- обладать механической прочностью в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического давления, значительных механических усилий при загрузке исходной шихты, обслуживании и чистке; - иметь минимальную толщину стенок для обеспечения высокого электрического КПД;
- материал тигля должен иметь минимальный коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в его стенке при разогреве;
- технология изготовления и уход за тиглем должны обеспечивать высокую стойкость и минимальное количество экзо - и эндотермических включений в металл, обеспечивая стабильность ведения металлургического процесса.
Для слива металла из тигля после окончания плавки печь наклоняют на угол 95…100о. Для того чтобы уменьшить длину струи металла и не перемещать разливочный ковш вслед за изменением положения носка тигля, ось наклона печи располагают вблизи носка или непосредственно под ним. Наклон печи производят одним из способов [1]:
- с помощью ручного привода или рычагов (только для лабораторных установок);
- тельфера или другого подъемного механизма, установленного в цехе рисунок 5 а. При этом крюк подъемного устройства закрепляют за специальную скобу, предусмотренную на каркасе печи;
- электромеханического привода, состоящего обычно из электродвигателя, редуктора и цепной передачи, установленных на опорной раме печи;
- гидропривода, включающего маслонапорную установку для создания давления жидкости в системе, плунжеры и гидроцилиндры, шарнирно связанные с корпусом печи рисунок 5 б. Для наклона печи на две стороны гидравлический механизм снабжается двумя парами цилиндров рисунок 5 в.
Рисунок 5 - Схемы механизмов наклона индукционных тигельных печей;
1 - ось наклона печи; 2 - опорная стойка; 3 - тельфер; 4 - цилиндр; 5 - плунжер; 6 - опора цилиндра; ----- положение печи при наклоне
Последний вид механизма наклона получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и обеспечению плавности хода. Маслонапорную установку располагают обычно рядом с печью, вне рабочей площадки [1]. Пульт управления размещают на рабочей площадке в месте удобном для наблюдения за процессом слива металла. Основным недостатком этого типа механизма следует считать необходимость иметь под печью значительное пространство для установки гидроцилиндров. Для удобства снятия и закрытия герметичной крышки используют механизм поворота свода, который представляет собой простые рычажные или кулачковые приспособления, позволяющие легко приподнимать крышку на 1…2 см, после чего отводить ее в сторону. Для поворота свода печей большой емкости используют гидравлические цилиндры. Для уменьшения излучения из тигля над ним устанавливают футерованную крышку рисунок 6 [4].
Рисунок 6 - Конструкция разъемного соединения индуктора с токопроводом:
1 - подвижный контакт; 2 - неподвижный контакт
Контактное устройство соединяет индуктор с токоподводом и предусматривает возможность наклона печи во время разливки металла. Возможны два типа их конструкции: 1 - разъемное соединение; 2 - гибкое неразъемное соединение. При использовании разъемного соединения подвижные контакты, установленные на корпусе печи, соприкасаются с неподвижными при нормальном вертикальном положении агрегата и выходят из соприкосновения при его наклоне. При наклоне подвижные контакты отходят в направлении, указанном стрелкой [1].
Соединение печи при помощи врубных ножей как показано на рисунке 6 а, при недостаточной точности изготовления подшипников оси вращения печи приводят к тому, что подвижный контакт 1 (нож) может не попасть в зазор между неподвижными контактами (2), что приведет к выходу его из строя.
Этого дефекта лишена конструкция, изображенная на рисунке 6 б. Ее подвижные контакты (1) соприкасаются при нормальном вертикальном положении печи с неподвижными пружинными контактами (2) и осуществляют соединение свободным нажатием.