Расчёт электротехнологической установки

 

                                    

          Рисунок 4. Принципиальная схема индукционной канальной печи:

             1- ванна печи; 2- канал; 3- магнитопровод; 4-первичная катушка

 

Кольцо жидкого металла окружено со всех сторон огнеупорным материалом, заключенным в стальной корпус. Пространство в огнеупорном материале, которое заполняется жидким металлом, имеет форму изогнутого канала. Наличие канала является характерной особенностью печей этого типа. Рабочее пространство печи соединено с каналом двумя отверстиями, поэтому при ее заполнении жидким металлом образуется замкнутый контур. Если в печи нет металла или его недостаточно для образования замкнутого контура, то она работать не может. В этом случае при подаче напряжения на первичную катушку в канале, являющемся вторичной катушкой, создаются вихревое электрическое поле и соответствующая ЭДС. Однако из-за того, что в канале нет металла, его электрическое сопротивление велико и ток в нем не протекает. При разомкнутом вторичном контуре в первичной катушке протекает ток небольшой силы, необходимый для намагничивания магнитопровода и называемый током холостого хода. ЭДС, создаваемая в канале, в W раз меньше напряжения, подводимого к первичной катушке (W — число витков катушки). Сила тока, протекающего по каналу при определенной ЭДС, зависит от полного сопротивления канала, равного геометрической сумме активного и реактивного сопротивлений канала.

При протекании тока вокруг канала создается магнитное поле. Чем больше мощность этого поля, тем больше реактивная мощность печи и тем меньше cos. Направление магнитного потока поля канала противоположно направлению магнитного потока магнитопровода. Для уменьшения размагничивающего влияния магнитного потока канала на магнитный поток магнитопровода канал располагают вокруг той части магнитопровода, на которой находится первичная катушка. Расстояние от канала до катушки выбирают минимальным для уменьшения магнитного поля канала.

 Температура металла в канале  на 100-150° С температуры металла  в ванне печи, поэтому горячий  металл из канала поднимается  в ванну, а из нее в канал  поступает более холодный металл. Жидкий металл в печи движется и вследствие воздействия магнитного поля. Электродинамические силы стремятся сжать и вытолкнуть металл, из канала. Чем больше индуцированный ток, тем большая электродинамическая сила воздействует на металл. При небольшом уровне металла в ванне может произойти его сжатие, при этом столб металла в канале разрывается, а металл из него выталкивается. Печь отключается из-за разрыва электрического контура, создаваемого жидким металлом в канале.

 В канальных печах всегда должно находиться определенное количество жидкого металла. Это количество определяют исходя из того, чтобы масса столба жидкого металла над каналом превышала электродинамическую силу, выталкивающую металл из канала.

 В канальных печах могут  быть ванны различных форм. Металл выдают из печи поворотом или наклоном ванны, а в некоторых случаях созданием избыточного давления газа над уровнем металла в ванне. Для этого печь выполняют герметичной, и в нее подают воздух или инертный газ. Под давлением газа уровень металла в ванне снижается, и нужное его количество вытекает из печи по сифонному желобу.

Достоинства и недостатки канальных печей.

К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести:

1. Минимальный угар (окисление) и  испарение металла, так как нагрев происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава, находящейся в каналах, нет доступа воздуха, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру.

2. Малый расход энергии на  расплавление, перегрев и выдержку  металла. Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода.

 В то же время высок  и тепловой КПД печи, так как  основная масса расплава находится  в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую  футеровку.

3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилия-ми. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.

 К основным недостаткам индукционных  канальных печей относятся:

1. Тяжелые условия работы футеровки канала – подового камня. Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава, при плавке сплавов, содержащих химически активные компоненты (например, бронзы, имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах также низкосортной, загрязненной шихты – вследствие зарастания каналов.

2. 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 этом случае приходится проводить ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют состав сплава от исходного до требуемого.

 

В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата.

 

1.4. Установка индукционного нагрева без сердечника

(индукционная тигельная  печь)

 

В индукционной плавильной печи без сердечника (рис. 5) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. Индуктор изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду.

Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.

В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).

 

                                          

Рисунок 5 .  Конструкция устройства индукционной тигельной печи:

  1 — индуктор; 2 — металл; 3 — тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)

Преимуществами тигельных печей являются: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда.

Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).

 

Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.

 

 

2. Расчёт параметров  индукционной  канальной нагревательной  печи

 

                                               Вариант № 2

 

Задание

1. Рассчитать параметры канальной индукционной нагревательной печи для следующих исходных данных:

 

Данные:
металл	Сталь
S, см2	550
Rср, м	0,6
E2, В	1,5
2, град	42
,  мкОм*м	0,11
*103,1/К	0,66
	60
tпл ,°С	1350
, кГц	1

 

Здесь: S - площадь поперечного сечения расплавленного металла при номинальной загрузке индукционной печи;  - средний радиус канала печи; E2 - индуцированная в кольце металла ЭДС;  2 - угол между векторами тока и ЭДС в процессе плавки принять постоянным; , , , tпл – характеристики металла (удельное электрическое сопротивление, температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, относительная магнитная проницаемость, температура плавления; f – частота источника питания установки.

Примечание. При температурах  t = 770 °С и выше - относительная магнитная проницаемость стали .

 

При выполнении задания:

- определить мощность Р2, расходуемую на нагрев металла в начале расплавления, когда "болото" имеет площадь поперечного сечения 0,1 • S и температуру t= 500 °С  и в конце расплавления;

- рассчитать и построить  график  проникновения электромагнитной волны в металл при индукционном нагреве от температуры 20°С до температуры плавления tпл. Расчет глубины проникновения волны произвести для температур 20, 100, 200 ... ( tпл).

 

 

 

 

 

Решение:

 

Расчет мощностей.

 

Найдем активное сопротивление металла по формуле:

,

где r=r20 – удельное сопротивление металла при Т=20°С;

= 2´3,14´0,6 = 3,77 м - средняя длина витка;

Sн = 0,1 S=55 см2 =55´10-4 м2 – площадь поперечного сечения «болота»

Тогда для начального этапа:

=7,54´10-5 Ом.

Активное напряжение в канале:

=1,5´cos(42)=1,12 В

Ток в канале на начальном этапе:

= 1,48´104 А.

Сопротивление и ток в канале для конечного этапа:

=7,53´10-6 Ом

= 1,48´105 А

Для вычисления количества теплоты, необходимой для нагрева металла от 20°С до 500°С, и для дальнейшего нагрева до температуры плавления находим массу стали по формуле:

,

где плотность стали rv принимаем равной 7850 кг/м3,

 

V – объем, для начальной стадии нагрева Vн=0.1´S´Lср=0,1´550´10-4´3,77=2,07´10-2 м3, для конечной стадии Vк = S´Lср = 2,07´10-1 м3.

Тогда:

mн= 7850´2,07´10-2 = 163 кг

mк= 7850´2,07´10-1 = 1628 кг.

Теплоемкость стали равна С=0.110 ккал/(кг´К), удельная теплота плавления λ=20 ккал/кг.

Рассчитываем количество теплоты, переданной металлу на начальном этапе:

=0.110´163´(500-20)=8600 ккал = 3,6´107 Дж.

Это количество теплоты должно быть передано металлу посредством индукционного нагрева, и выражается формулой (с учетом КПД печи h, который приняли равным 0.8):

,

где t - длительность нагрева.

Выражаем длительность нагрева:

=2740 с = 0,76 ч.

Тогда мощность P2, расходуемая на нагрев металла в начале расплавления:

=13,2 кВт.

Рассчитываем количество теплоты, переданной металлу на конечном этапе (она складывается из теплоты нагрева и теплоты перехода в жидкое состояние):

=0,110´1628´(1350-500)+20´1628=184739,3 ккал = 7,75´108 Дж.

Находим длительность нагрева:

= 5885 с = 1,63 ч.

Тогда мощность P, расходуемая на нагрев металла от 500 до его расплавления:

=132 кВт.

 Расчет глубины проникновения  электромагнитной волны в металл  в зависимости от температуры.

Глубина проникновения электромагнитной волны в металл определяется по формуле:

.

Температуная зависимость ∆ определяется зависимостью удельного сопротивления от температуры r(t) и зависимостью от температуры относительной магнитной проницаемости m(t).