Методика расчета индукционной тигельной печи

Саратовский государственный технический университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методика расчета индукционной тигельной печи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2005

I. Общая характеристика, особенности и достоинства индукционных тигельных печей

Принцип действия индукционных тигельных печей (ИТП), которые называются индукционными печами без сердечника, по принципу действия подобна воздушному трансформатору.

Печь представляет собой плавильный тигель, как правило, цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора_, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, поглощает электроэнергию и плавится.

Достоинства тигельных плавильных печей:

а) выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;

б) интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объему ванны и отсутствие местных перегревов, и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;

в) принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи);

г) высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах);

д) возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую;

е)   простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса:

ж) высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна при предварительной обработке шихтовых материалов;

 з)  возможность использования тепловых отходов для увеличения производительности печей.

К недостаткам  тигельных печей следует отнести:

• относительно низкую температуру шлаков_, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки (шлак в тигельной печи разогревается от расплава, поэтому его температура всегда ниже);
• сравнительно низкую стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава при плавке модифицированных и ковких чугунов
• наличие теплосмен (резких перепадов температуры футеровки при полном сливе расплава), поэтому более экономичным является непрерывный режим эксплуатации без полного слива расплава.

Между тем  преимущества тигельных печей перед  другими плавильными агрегатами настолько значительны, что они нашли в последние годы чрезвычайно широкое применение в самых разных отраслях промышленности .

В зависимости  от того, идет ли процесс плавки на открытом воздухе или в вакууме (к защитой атмосфере), различают печи: открытые (плавка на воздухе), вакуумные (плавка в вакууме), компрессионные (плавка под избыточным давлением). По организации процесса во времени различают печи периодического действия, полунепрерывного и непрерывного действия.

По конструкции  плавильного тигля печи различают: с керамическим (футерованным) тиглем, с проводящим металлическим тиглем, с проводящим графитовым или графито-шамотным тиглем, с холодным тиглем (во-доохлаждаемым металлическим тиглем).

Ввиду больших  токовых нагрузок индуктор тигельных  печей практически всегда выполняют с водяным охлаждением.

Для обеспечения  минимальных электрических потерь в индукторе необходимо соблюдение следующих условий:

а) материал индуктора должен обладать малым удельным электросопротивлением;

б) индуктор должен быть немагнитным;

в) толщина индуктирующего витка b_тр, обращенная к расплаву, должна быть b_тр ³ 1,57D. Эти условия могут быть удовлетворены, если индуктор выполнять из медной полой трубки круглого, прямоугольного равностенного, прямоугольного разностенного или специального сечений.

2. Расчет индукционных тигельные печей (исходные данные и последовательность расчета).

Задание на проектирование индукционной тигельной печи должно содержать следующие данные:

1. наименование расплавляемого металла или марку сплава и его состав, конфигурацию и характерные размеры кусков шихты;
2. исходную температуру загружаемой шихты Т_ш и конечную температуру нагрева расплава Т_к;
3. теплофизические свойства переплавляемого металла:

- температуру  плавления металла (сплава) Т_пл, плотность шихты γ_ш и расплавляемого металла γ₂;

- удельное  электросопротивление шихты ρ_ш в диапазоне температур Т_ш-Т_пл и расплавляемого металла ρ₂ при температуре Т_к;

- среднюю  теплоемкость металла с_ш в диапазоне Т_ш-Т_пл и теплоемкость расплава с_ж в диапазоне Т_пл-Т_к;

- скрытую  теплоту плавления q_пл;

- магнитную  проницаемость исходной шихты  μ_ш или кривую намагничивания В=f(Н);

4) емкость  тигля G или производительность печи g (часовую производительность по расплавлению и перегреву g_пл или суточную производительность g_с);

5) циклограмму  процесса плавки и технологической  обработки металла в печи или  следующие данные:

- длительность  процесса плавки и перегрева  металла до конечной температуры τ_пл;

- длительность  вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, скачивание шлака, технологической обработки и т.п.) τ_всп;

6) особенности  технологического процесса –  указывается, должен ли процесс идти на твердой закалке с полным сливом расплава из тигля или допускается плавка с остаточной емкостью тигля G₀. В последнем случае уточняется объем расплава, сливаемого из тигля единовременно G_сл.

7) параметры  питающей сети (в частности напряжение и мощность подстанции, к которой предполагается подключить печь). Данные питающей сети необходимы для выбора силового трансформатора или двигателя преобразователя частоты, а также для определения допустимости подключения ее через симметрирующее устройство, обеспечивающее равномерное распределение нагрузки по фазам.

Задачей расчета  является определение основных геометрических размеров, тепловых и электрических параметров печи, параметров системы охлаждения, выбор частоты источников питания, а также определение геометрических характеристик проектируемой печи.

В соответствии с изложенным, как правило, придерживаются следующего порядка расчета: выбирают частоту источника питания, определяют емкость тигля и геометрию системы индуктор-садка, выполняют тепловой расчет печи и находят необходимую мощность и тепловой КПД печи, выполняют электрический расчет печи и определяют параметры индуктора и магнитопроводов, параметры системы охлаждения индуктора и энергетические характеристики печи.

 

3. Определение соотношений геометрических размеров в системе индуктор - садка и выбор частоты источника питания

 

Задачей расчета  является определение основных размеров системы индуктор - садка (рис. 1) и минимальной частоты тока.

 

Принятые обозначения:

 

G₀ – остаточная емкость тигля, кг;

G_сл – единовременный слив количества расплава металла из тигля, кг;

G₀ – относительное значение остаточной емкости тигля;

G_н – номинальная емкость тигля, кг;

G – емкость тигля, т;

D₂ – средний диаметр тигля, м;

D₁ – внутренний диаметр индуктора, м;

V – полезный объем тигля, м³;

h₂ – высота тигля (высота расплава), м;

h₂ – геометрия тигля в зависимости от емкости печи h₂/D₂;

h₁ – высота индуктора (без учета холостых витков), м;

h₁ – относительная высота индуктора, м;

τ_см – длительность одной смены, ч;

n_см – число смен работы печи в сутки;

D - глубина проникновения тока в материал индуктора;

h_т – высота внутренней полости тигля, м;

b_из – толщина тепловой изоляции, располагаемой между футеровкой и

индуктором, м;

b_ф – толщина футеровки в среднем сечении тигля, м;

d_ш – поперечный размер среднего куска шихты;

f_мин – минимальная частота, Гц;

m^¢_ш – магнитная проницаемость шихты;

r_ш – удельное электросопротивление шихты, Ом·м;

g₂ – плотность расплава, кг/м³;

r₂ – удельное электросопротивление расплава, Ом·м;

m^¢₂ – магнитная проницаемость расплава.

 

Последовательность расчета

 

1. Емкость тигля печи.

 

Емкость тигля  печи определяется величиной единовременного слива расплава металла из тигля G_сл и величиной остаточной емкости тигля («болота») G₀, которые в свою очередь зависят от технологии процесса и требуемой производительности печи. В общем случае:

 

Как правило, при плавке малогабаритной в печах промышленной частоты принимают G₀ = 0,6 – 0,8.

 

 

 

Если задана суточная производительность g_с и время цикла t = t_пл + t_всп, то емкость печи, кг:

 

 

2. Полезный объем тигля

 

 

Геометрию тигля  определяют, исходя из установившихся на практике значений отношения h₂/D₂ = h₂ в зависимости от емкости печи (рис.2). Внутренний диаметр тигля (в среднем сечении):

 

 

Высота расплава в тигле:

                                                          (6)

 

Высота внутренней полости тигля

 

 

Коэффициент 1,2-1,4 учитывает наличие мениска, условия загрузки шихты в тигель, технологические факторы и т.п.

 

3. Внутренний диаметр индуктора:

 

 

b_ф приближенно может быть определена по эмпирической формуле:

 

Высота индуктора:

 

 

где 

 

Обычно в  тигельных печах = 1,0 – 1,2

Взаимное  расположение индуктора и садки (загрузки), а также индуктора и пакетов магнитопровода, определяют исходя из конструктивных соображений. В печах средней частоты (открытых и вакуумных) обычно принимают симметричное расположение индуктора по отношению к загрузке. В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора располагают на 10-30% ниже номинального уровня расплава. Для выравнивания температурного поля в стенке тигля непосредственно над рабочими витками индуктора устанавливают «холостую» водоохлаждаемую катушку, не подключаемую к источнику питания.

 

4. Минимальная  частота тока при жидкой завалке или при плавке с остаточной емкостью тигля G₀ ³0,6

 

 

 

При плавке кусковой шихты без остаточной емкости (G₀ =0) необходимо определить характерный поперечный размер среднего куска шихты d_ш. Минимальная частота в этом случае определяется из выражения

Для немагнитной  шихты следует подставлять в  уравнение (12) значения m^´_ш = 1,0 и r_ш при начальной температуре шихты Т_ш. При плавке ферромагнитной кусковой шихты рекомендуется брать r_ш и m^'_ш при температуре потери магнитных свойств Т_m (m'_ш = 1,0).

Если шихта  очень мелкая и по уравнению (12) получается f_мин > 10⁴Гц, необходимо, если это возможно, изменить способ укладки шихты, увеличив ее характерный размер d_ш или перейти к плавке с относительной остаточной емкостью тигля G ³ 0,6 .

Если выбор f_мин по уравнению (12)осуществляется, исходя из необходимости достижения максимального значения электрического КПД, то конкретный выбор источника питания, удовлетворяющего условию (12), должен производиться исходя из технико-экономического расчета с учетом капитальных затрат и затрат на эксплуатацию установки, а также с учетом необходимого уровня циркуляции металла в тигле. Частота источника питания выбирается из стандартного ряда 50, 500, 1000, 2400, 4000, 8000, и 10000 Гц.

 

4. Тепловой расчет тигельной печи

 

Задачей расчета  является определение температуры  наружной поверхности футеровки, расчет тепловых потерь и теплового КПД печи.

Необходимые данные для расчета: состав футеровки  и тип тепловой изоляции; внутренний диаметр индуктора D₁ и тигля D₂ и высота расплава h₂; толщина отдельных слоев футеровки b_i и тепловой изоляции b_из; теплопроводности i-того слоя футеровки l_i и изоляции l_из.