Введение. Индукционные плавильные печи относятся к электротермическому оборудованию

Индукционные плавильные печи относятся к электротермическому оборудованию, работающему на принципе преобразования энергии переменного электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

Выделение тепла непосредственно в нагреваемом объекте обеспечивает более совершенное использование этого тепла и, следовательно, бóльшие скорости нагрева и плавления, т.е. высокую производительность индукционных печей, а зачастую и более высоким КПД по сравнению с установками косвенного нагрева (с передачей энергии путём теплопроводности, конвекцией, излучением).

Наличие электромагнитного перемешивания, компактность, возможность применения вакуума или защитной атмосферы способствуют широкому применению индукционных плавильных печей в промышленности для плавки чёрных (стали, чугун) и цветных металлов (медь и сплавы на её основе, алюминий и сплавы на его основе) /3/.

В настоящее время существует два типа индукционных плавильных печей: канальные и тигельные.

В данной работе рассматривается канальный тип индукционной печи: производятся электрический и тепловой расчёты индукционной канальной печи (далее по тексту – ИКП), расчёт охлаждения индуктора, выбор электропечного трансформатора для питания печи и определение мощности конденсаторной батареи для повышения коэффициента мощности.

Общие положения

1.1 Общие сведения /1/

1.1.1 ИКП в основном используются для плавки цветных металлов (медь и сплавы на медной основе, цинк, алюминий и их сплавы) и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование ИКП для плавки стали, ограничивается из-за недостаточной стойкости фу­теровки.

Наличие в ИКП электродинамического и теп­лового движения расплавленного металла или сплава обеспечивает однород­ность химического состава и равномерность температуры расплавленного ме­талла или сплава в ванне печи.

1.1.2 К основным достоинствам ИКП можно отне­сти:

а) минимальный угар (окисление) и испарение металла, т.к. нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру;

б) малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода;

в) высокий тепловой КПД печи, т.к. основная масса рас­плава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку;

г) однородность химического состава металла в ванне благодаря цирку­ляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилия­ми. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.

1.1.3 К основным недостаткамИКП относятся:

а) тяжелые условия работы футеровки канала – подового камня. Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания кана­лов;

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

1.2 Принцип действия печи /3/

1.2.1 Работа ИКП основана на использовании явления электромагнитной индукции и аналогична работе силового трансформатора. Но электрические параметры ИКП и трансформатора отличаются, что вызвано различием их конструкций. Печь имеет стальной расслоённый магнитопровод М, первичную обмотку – индуктор w ₁, и вторичную обмотку в виде замкнутого канала, заполненного жидким металлом, w ₂ (см. рисунок 1, а). Для уменьшения потока рассеяния Ф _s на одном стержне располагают и первичную, и вторичную обмотки (канал) – рисунок 1, б, в. Магнитопроводы могут быть выполнены как стержневыми, так и броневыми. Кольцевой канал выкладывается в огнеупорной футеровке так, чтобы он охватывал магнитопровод с первичной обмоткой.

а – схема печи с сердечником; б – схема печи со стержневым магнитопроводом;

в – схема печи с броневым магнитопроводом.

Рисунок 1 – Схемы однофазных ИКП с открытым горизонтальным каналом

1.2.2 В магнитопроводе наводится переменный магнитный поток Ф ₁. Этот поток по закону электромагнитной индукции наводит во вторичной обмотке переменную ЭДС U ₂. Её действующее значение, В, равно:

, (1)

где f – частота тока, Гц.

1.2.3 Т.к. канал с расплавленным металлом представляет собой короткозамкнутый виток, в нём возникает ток I ₂. При прохождении тока по металлу выделяется тепловая энергия, Дж, которая и разогревает металл:

, (2)

где R ₂ – активное электрическое сопротивление металла в канале, Ом;

t – время прохождения тока, с.

1.2.4 На рисунке 2 представлены схема замещения и векторная диаграмма ИКП. Векторная диаграмма печи подобна диаграмме трансформатора, находящегося в режиме короткого замыкания, когда вторичная обмотка является нагрузкой.

Рисунок 2 – Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) ИКП

1.2.5 Реактивная мощность ИКП в несколько раз больше её активной мощности из-за большого зазора между индуктором и каналом печи. Естественный коэффициент мощности печи составляет 0,3 – 0,7. Для повышения коэффициента мощности параллельно индуктору печи присоединяют батарею конденсаторов, реактивная мощность которой должна быть равна реактивной мощности печи.

1.2.6 Конструкции печи, изображённые на рисунке 1, являются несовершенными, т.к. обладают рядом недостатков, среди которых можно выделить: трудности ведения технологического процесса, увеличенное количество шлака из-за наличия центробежного эффекта, малый объём расплава и др. Поэтому в настоящее время используется тип печи с закрытым каналом (горизонтальным, вертикальным, наклонным).

1.2.7 На рисунке 3, а представлен эскиз ИКП с закрытым вертикальным каналом, расположенным под ванной, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла. Такая конструкция печи позволяет в полной мере использовать эффект перемешивания металла, возникающий в результате появления электродинамических сил, связанных с взаимодействием тока в жидком металле, и сильных магнитных полей, создаваемых током в индукторе и током в канале печи.

а – конструкция; б – схема перемешивания жидкого металла

Рисунок 3 – ИКП с вертикальным каналом

1.2.8 На движение металла (в меньшей степени) также влияют механические силы, возникающие от гидростатического давления и конвекции. В результате металл в канале и шахте печи находится в постоянном движении, указанном стрелками на рисунке 3, б.

1.3 Конструктивные особенности печи /3/

1.3.1 Основными конструктивными узлами ИКП являются:

а) печной трансформатор;

б) корпус;

в) футеровка;

г) вентиляционная установка;

д) механизм наклона.

1.3.2 Печной трансформатор состоит из магнитопровода и индуктора.

1.3.3 Магнитопровод 5 (см. рисунок 3) печи изготовляется из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съёмным из-за регулярной сборки и разборки. Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора – квадратная или прямоугольная, при значительной мощности – крестообразная или ступенчатая. Листы стягиваются шпильками, вдетыми в изолирующие втулки из текстолита или бакелита.

1.3.4 Индуктор печи 4 изготавливается из калиброванного медного провода прямоугольного сечения (при воздушном охлаждении) или профилированной водоохлаждаемой медной трубки. Индуктор насаживают на стержень магнитопровода на изолирующем цилиндре (гильзе) из бакелита, асбеста, текстолита или стеклотекстолита. Витки индуктора изолируются между собой путём прокладки изоляционных пластин (асбест, слюда) или обмоткой витков лакотканью, киперной лентой, пропитанной изоляционным лаком, асбестовой лентой или лентой из стекловолокна. Витки сжимаются с помощью установочных шайб и болтов. Токопроводы к индукторам осуществляют гибким кабелем с медными и алюминиевыми жилами.

1.3.5 Корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны и кожуха индукционной единицы. Каркас изготовляется из стальных балок. Цапфы оси наклона опираются на подшипники, смонтированные на опорах, установленных на фундаменте. Кожух ванны изготовляется из листовой стали толщиной 6 – 15 мм и снабжается рёбрами жёсткости.

Кожух индукционной единицы служит для соединения подового камня и печного трансформатора в единый конструктивный элемент. Кожух охватывает индуктор, поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи он делается составным из двух половин с изолирующей прокладкой между ними. Стяжка производится болтами, снабжёнными изолирующими втулками и шайбами. Таким же образом кожух индукционной единицы крепится к кожуху ванны. Кожухи индукционных единиц могут быть литыми или сварными с рёбрами жесткости. В качестве материалов кожухов следует использовать немагнитные сплавы.

1.3.6 Футеровка печи разделяется на футеровку ванны и футеровку канальной части. Футеровка ванны выкладывается из огнеупорных кирпичей (магнезит, шамот) или набивается специально приготовленным составом (набивкой), применяемым и для канальной части печи. Для теплоизоляционного слоя футеровки употребляется диатомитовый кирпич, шлаковая вата, стеклянная вата, асбест. Асбестовые листы служат для прокладки между кожухом печи и футеровкой, для прокладки между футеровкой канальной части и индуктором.

Канальная часть печи изготавливается как отдельно формованной (подовый камень), так и набивной.

1.3.7 Для охлаждения внутреннего проёма подового камня (футеровки канала), а также индуктора без водяного охлаждения используется вентиляционная установка, подающая воздух от вентиляторов центробежного типа с приводными двигателями, которые крепятся в большинстве случаев на каркасе печи. В случае установки вентиляторов отдельно от печи подвод воздуха к полости индуктора осуществляется с помощью гибких шлангов. Для надёжности охлаждения на печь устанавливается два или более вентиляторов (рабочий и резервный).

1.3.8 Для слива металла в печах периодического действия, они имеют механизм наклона печи для слива металла через сливной носок, расположенный в верхней части печи. Механизмы наклона бывают с электромеханическим и гидравлическим приводом. Ось наклона располагается у сливного носка для минимального смещения струи металла.

Дата добавления: 2015-07-25