Расчёт электротехнологической установки

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Nский государственный университет»

Электромеханический факультет

 

 

 

 

 

 

 

Расчётно – графическая работа по курсу

«Приёмники и потребители электрической энергии»

на тему:

Расчёт электротехнологической установки

 

 

 

 

                                      

 

                                                                          

 

Выполнил:                                                                          студент гр. №

Петров Г.Г.

 

Проверил:

Преподаватель Базаров Н.А.

 

 

 

 

 

 

 

2013

 

 

 

 

Содержание

 

 

			Стр.
	Эссе. Принцип работы индукционной канальной и тигельной печи.....	3
1.1.	Введение…………………………………………………………….	3
1.2.	Виды индукционных установок…………………………………...	3
1.3.	Установка индукционная с сердечником (индукционная канальная  печь)…………………………………...	4
1.4.	Установка индукционная без сердечника (индукционная тигельная  печь)…………………………………...	10
2.	Расчёт параметров индукционной  канальной нагревательной печи………………………………………………………………….	12
3.	Список использованной литературы……………………………...	17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Принцип работы индукционной канальной и тигельной печи.

 

1.1. Введение

 

 Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это - первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла.

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это - второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла.

В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это - третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца—Джоуля.

 

1.2. Виды индукционных установок

 

Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:

1) передать электрическую энергию  индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в  отличие от печей сопротивления)

2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми "печами с внешним источником нагрева").

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником (индукционная канальная печь) и без сердечника (индукционная тигельная печь).

 

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:

1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно  или через понижающие трансформаторы;

2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;

3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от  ламповых электронных генераторов.

 

1.3. Установка индукционного нагрева с сердечником

(индукционная канальная печь)

 

В индукционной канальной плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл.

 

                            

 

                  Рисунок 1. Схема устройства индукционной канальной печи:

1 — индуктор; 2 — металл; 3 — канал; 4 — магнитопровод; Ф — основной магнитный поток; Ф1р и Ф2р — магнитные потоки рассеяния; U1 и I1 — напряжение и ток в цепи индуктора; I2 — ток проводимости в металле

 

Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).

 В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).                           

 

Канальные печи или печи с железным сердечником используют в литейном производстве, в основном в качестве миксеров и раздаточных печей для черных и цветных сплавов. При производстве ковкого чугуна канальные печи применяют для перегрева до 1550° С чугуна, выплавленного в вагранках. Канальные печи используют также для плавки цинка, меди и их сплавов.

       Индукционная канальная печь состоит из следующих основных узлов (рис.2): из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3, и находящейся под ванной индукционной единицы. Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом.  Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.

 

 

                                     

 

                               Рисунок 2. Конструкция плавильной  печи

 

  Система индуктор - магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1.

  Каркас печи должен быть достаточно прочным и жестким. Его изготовляют из низкоуглеродистой стали (0,1% С) толщиной 30—70 мм. В нижней части каркаса имеются окна с фланцами, к которым присоединяют индукционные единицы.

Футеровка. Продолжительность работы печи до очередного ремонта зависит практически только от состояния ее футеровки. В зависимости от назначения печи для этой цели применяют различные огнеупорные материалы. Печь футерована огнеупорами нескольких марок. Внутренний слой футеровки, соприкасающийся с жидким металлом, находится в наиболее тяжелых условиях: подвержен большим механическим нагрузкам и химическим и тепловым воздействиям. Внутренний слой футеровки печи должен иметь высокую огнеупорность, шлакоустойчивость и термостойкость. Внутренний слой выполнен из фасонных изделий высокой прочности на сжатие и минимальной пористости. Для обеспечения кладки с минимальной толщиной шва фасонные изделия должны иметь гладкие поверхности и точные размеры.

 Фасонные изделия для внутреннего слоя изготовляют из высокоглиноземистого огнеупора с 90% AI2O3. Для следующего слоя футеровки применяют огнеупор с 60% AI2O3, для третьего слоя - обычный шамотный огнеупор, для теплоизоляционного слоя - асбестовые плиты, укладываемые по всей внутренней поверхности каркаса печи. Отдельные элементы футеровки печи выполнены из огнеупорной массы набивкой (трамбовкой), заливочный и сливной желоба - из огнеупорной массы МКЭ-78. Массу приготовляют из титанистого электрокорунда и высокоглиноземистого шамота: не менее 78% А12О3 и не более 1,2% F2O3.

 Связующим является ортофосфорная  кислота. Температура применения  до 1600° С.

Индукционные единицы. Каждая единица состоит из стального корпуса, футеровки, магнитопровода и первичной катушки. Корпус единицы не должен образовывать замкнутый контур вокруг магнитопровода, иначе в нем будет индуцироваться вихревой ток. Из этих соображений корпус выполняют разъемным, и отдельные его части изолируют друг от друга прокладками.

 Индукционную единицу футеруют  из огнеупорного бетона или набивной массы. Огнеупорный бетон применяют при сложном профиле индукционной единицы или когда набивкой не удается достигнуть нужного уплотнения массы по всему объему. Огнеупорным бетоном заливают полностью собранную индукционную единицу. Бетон по всему объему единицы уплотняют электрическими вибраторами.

Магнитопровод индукционной единицы собирают из отдельных пластин трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов отдельные пластины изолированы друг от друга. Размеры поперечного сечения стержня магнитопровода, т. е. той его части, на которую надевают первичную катушку, обеспечивают минимальный зазор между магнитопроводом и катушкой. После сборки магнитопровода его стягивают болтами или шпильками. Стяжные планки, шпильки, болты изолируют от пластин магнитопровода электрокартоном для предотвращения образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода.

На рис.3 показана съемная индукционная единица, присоединяемая к каркасу печи с помощью болтов. Данная индукционная единица имеет две катушки и два магнитопровода. Вокруг каждой катушки имеется свой канал, заполняемый жидким металлом. Участки каналов между катушками соединены в общий канал большого сечения с расширяющимся входом и выходом. Катушки присоединяют к сети с помощью шин. Каждая из катушек отделена, от футеровки водоохлаждаемым экраном из немагнитной стали. К корпусу индукционной единицы приварены два штыря, используемые при транспортировке и монтаже единицы.

                                     

Рисунок 3  - Индукционная единица канальной печи

1—вентилятор для охлаждения  катушки; 2—магнитопровод;                                          3—штырь; 4—канал; 5 — футеровка; 6—экран; 7—катушка;                                           8—корпус; 9—рама; 10 – вывод

 

Механизм наклона печи. В зависимости от типа печи применяют или гидравлический привод, включающий насосную станцию и гидроцилиндр, или электромеханический привод, состоящий из электродвигателя, редуктора и цепной передачи. В обоих случаях механизм обеспечивает плавный наклон печи.

 Электрооборудование печи. В  комплект печной установки входит  трансформатор, конденсаторная батарея, щиты управления и питающие  кабели. Трансформатор печи подключают  к сети с напряжением 6—10 кВ. На  вторичной стороне трансформатора предусмотрено до 10 ступеней напряжения для регулирования мощности печи.

Принцип действия канальной печи состоит в том, что переменный магнитный поток Ф пронизывает замкнутый контур, представляющий собой кольцо из жидкого металла, и индуктирует в этом кольце ЭДС. Электрический ток I2 проходит по жидкому металлу, разогревая его. Переменный магнитный поток создается первичной катушкой, в которой течет ток I1; и которую подключают к сети переменного. тока промышленной частоты (50 Гц), напряжение U1. Для усиления магнитного потока, создаваемого катушкой, применяют замкнутый магнитопровод из трансформаторной стали с  = 1500-2000 (рис. 4).