Расчет индукционной тигельной печи

Закончив набивку тигля, специальными шамотными плитками выкладывают  воротник тигля и сливной носик  и обмазывают огнеупорным раствором  из молотого шамота и огнеупорной  глины.

Сушка и спекание футеровки  производятся либо пламенем газовой  горелки, либо током.

 

 

 

 

 

 

 

 

 ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

 

ИЧТ – 10 с кислой футеровкой. К качеству футеровки тигля индукционной печи предъявляются высокие требования, т.к. она работает в неблагоприятных условиях: внутренняя поверхность обогревается горячим металлом с температурой 1400—1500°С, а наружная соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Операции футеровки печи должны проводиться с особой тщательностью, а все применяемые материалы должны соответствовать определенным требованиям.

Технологический процесс  плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение  химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в  которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток  от предыдущей плавки, называемый зумпфом  или «болотом») необходима потому, что  при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50 % от общей  массы металла в печи (емкости  печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ – ИЧТ – 10

 

Дано:

Емкость тигля – 10000 кг;

Длительность плавки τ_п= 3,4 ч; 

Длительность разливки и  загрузки τ_р= 0,68 ч;

Температура нагрева стали - 1400^°С;

Загрузка печи производится кусковой шихтой.

На рисунке 4.1 представлена схема тигельной печи.

 

1 – пакеты трансформаторной  стали, образующие внешний магнитопровод; 

2 – изолирующие прокладки; 

3 – индуктор;

4 – нажимные болты. 

D_м - внутренний диаметр магнитопровода, м;

D₁- внутренний диаметр индуктора, м.

Рисунок 4.1 – Схема тигельной  печи

 

4.1 Расчет тигля

 

Полный объем тигля, м³:

 

 

 

где - плотность жидкого чугуна, кг/м³.

 

 

 

Внутренний диаметр тигля  в сечении d₂, м:

 

 

 

где К₁ – коэффициент, представляющий собой отношение высоты расплава h₂ к диаметру тигля в среднем сечении d₂.

 

 

 

Или принять из диапазона

 

 

 

Принимаем К₁= 1,4.

 

 

 

Высота расплава в тигле, м:

 

 

 

 

 

Толщина футеровки в среднем  сечении тигля, м:

 

 

 

δ_т= 0,13∙1,107 =0,144 .

 

Принимаем  толщину выполняемой  из кварцита футеровки δ_т = 0,15 м.

 

Высота тигля с учетом мениска, условий загрузки шихты  и других факторов, м:

 

 

 

h_т =  1,3∙ 1,55= 2,015.

 

Внутренняя поверхность  тигля делается конусной, угол между  образующей и осью тигля устанавливается  равным 2…5⁰. Наружная поверхность тигля цилиндрическая  и имеет изоляционный слой из листового асбеста толщиной δ_и=0,005…0,015 м.

Для печи емкостью 10000 кг принимаем δ_и=0,01 м.

Наружный диаметр тигля (рисунок 4.1), м:

 

 

 

 

Внутренний диаметр индуктора (рисунок 4.1), м:

 

 

 

 

 

Расположение индуктора  по высоте тигля зависит от частоты  питающего тока.

Минимальная частота –  от внутреннего диаметра и агрегатного  состояния загружаемого в печь материала. При плавке кусковой шихты минимальная  частота определяется по формуле, Гц:

 

 

 

где ρ_ш – удельное сопротивление шихты, Ом·м;

d_ш – характерный поперечный размер среднего куска шихты, м; d_ш=0,2 м.

 

 

 

Частота питающего тока выбирается из стандартного ряда 50, 150, 250, 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10000 Гц. Принимаем частоту  питающего тока равной   f=50 Гц.

В печах промышленной частоты  верхний уровень индуктора устанавливают  ниже уровня металла для уменьшения мениска на поверхности жидкой ванны  и исключения выброса металла  из тигля из-за электродинамической  циркуляции.

В печах повышенной частоты  индуктор по отношению к загрузке (по высоте) располагается симметрично. Для выравнивания температурного поля в стенках тигля над рабочими витками индуктора устанавливают  «холостую» водоохлаждаемую катушку.

 Высота индуктора без  холостых витков, м:

 

 

 

 

 
Мощность  тепловых потерь печи, кВт:

 

 

 

где Р_С – мощность тепловых потерь через боковую поверхность тигля, кВт:

 

 

 

 где t_ВН – температура внутренней поверхности тигля. Принимается равной температуре жидкого чугуна (1400 ˚С);

t_Н – температура наружной поверхности тигля. Принимается равной температуре на границе между изоляцией и индуктором (50⁰С);

λ_Т – средняя теплопроводность набивной футеровки тигля (Вт/мˑ˚С).

 

 

 

 

 

h_CРт – средняя высота тигля, м;

 

 

 

 

 

λ_и – средняя теплопроводность асбестовой изоляции, ;

 

 

 

 

 

h_{СР и} – средняя высота изоляции, м;

 

 

 

 

 

Р_П – мощность тепловых потерь через подину тигля, кВт;

 

 

 

 

d_Т.ср – средний диаметр подины тигля, м;

 

 

 

 

 

 

 

t_B – температура окружающего воздуха (20⁰С);

Р_К – мощность тепловых потерь через крышку печи, кВт;

 

 

 

 

 

Р_ИЗЛ – мощность тепловых потерь излучением с зеркала ванны через крышку тигля, кВт;

 

 

 

где с – коэффициент  излучения абсолютно черного  тела,

с=5,77;

F_ОК – площадь открытого окна.  Для круглой крышки тигля, м².

 

 

 

 

 

Ф – коэффициент диафрагмирования, принимаем Ф=0,9 [6,41].

 

 

 

При расчете суммарных  потерь коэффициент неучтенных потерь принимают равным =1,1…1,2. Принимаем

 

 

 

Полезная мощность печи, кВт:

 

 

 

где М_С – масса единовременного слива металла. При загрузке печи твёрдой шихтой в тмгле оставляют часть жидкого металла для улучшения начального прогрева шихты (остаточная ёмкость или болото). Относительная остаточная ёмкость при плавке малогабаритной шихты составляет [7].

Принимаем .

 

 

 

 

 

с_Ш – средняя удельная теплоемкость шихты в интервале температур от    начальной температуры шихты до температуры плавления (для чугуна );

 

с_Ш=0,71;

 

с_Ж – средняя удельная теплоемкость расплава в интервале температур   от температуры плавления до температуры перегрева чугуна ;

 

с_Ж=0,83; 

q_пл  – теплота плавления шихты. Для чугуна q_пл=230 кДж/кг,

 

 

 

 

Активная мощность, потребляемая загрузкой, кВт:

 

 

 

 

 

Тепловой КПД печи:

 

 

 

 

 

Удельная мощность проектируемой  печи, :

 

 

 

где η_Э – электрический КПД печи.

При плавке чугуна η_Э =0,7…0,8. Принимаем η_Э =0,8

 

 

 

Полученное значение Р_У сравниваем с предельным значением удельной мощности Р_УП, которое можно рассчитать по формуле, :

 

 

 

 

 

Полученное значение Р_У не превышает Р_УП, поэтому расчет выполнен правильно.

 

4.2 Электрический расчет печи

 

Глубина проникновения тока в металл индуктора, м:

где - удельное сопротивление меди, из которой изготовлен индуктор. Удельное сопротивление меди в пределах 20…150 ˚С меняется линейно от 1,68∙10^-8 до 2,75∙10^-8. В расчёте индуктора принимают температуру меди равной 60…70 ˚С. Тогда =2∙10^-8:

 

 

 

 

 

Глубина проникновения тока в материал загрузки, м:

 

 

 

где - удельное сопротивление загрузки; Ом∙м;

- относительная магнитная  проницаемость загрузки. Принимается  равной bГн/м:

 

 

Относительный радиус загрузки:

 

 

 

 

 

Активное сопротивление  индуктора при условии, что толщина  внутренней стенки трубки индуктора  b₁≥Δ₁.

 

 

 

где К_з – коэффициент заполнения индуктора, равный отношению высоты витка без изоляции к шагу навивки. Принимается К_з= 0,75…0,9.

Принимаем К_з = 0,8.

 

 

 

Активное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

где A=f(R₂) – вспомогательная функция. Если R₂ больше 6, функция определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

Внутреннее реактивное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

где - сдвиг фаз между напряженностями электрического и магнитного полей в металле индуктора. При b>1,5  =1:

 

 

 

Внутреннее реактивное сопротивление загрузки, Ом:

 

 

 

где В=f(R₂) – вспомогательная функция. Принимаем В=0,05:

 

 

 

Реактивное сопротивление  рассеивания, Ом:

 

 

 

где - круговая частота тока, рад/с:

 

 

 

 

 

 

 

Реактивное сопротивление  пустого индуктора, Ом:

 

 

 

где К – поправочный  коэффициент, учитывающий концевые эффекты короткого индуктора.  К=0,7:

 

 

 

Реактивное сопротивление  обратного замыкания, Ом:

 

 

 

 

 

Коэффициент приведения параметров загрузки к цепи индуктора:

 

 

 

 

 

Приведенное активное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

 

 

Приведенное реактивное сопротивление  загрузки, Ом:

 

 

 

 

 

Эквивалентное активное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

 

 

Эквивалентное реактивное сопротивление  индуктора, Ом:

 

 

 

 

Электрический КПД индуктора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Активная мощность индуктора, кВт:

 

 

 

 

 

По активной мощности индуктора  и частоте тока выбирается источник питания, причем его мощность должна быть больше на 5…10%, поскольку он должен покрывать потери в токопроводах и конденсаторах.

 

Число витков индуктора:

 

 

 

где U₁ – напряжение на индукторе. Выбирается в пределах 750…3000В.

Принимаем U₁=750В:

 

 

 

Толщина изоляции между витками  индуктора, м:

 

 

 

где - допустимый перепад напряжения на высоте индуктора.

=(10…40)10³ В/м. принимаем =40∙10³ В/м:

 

 

 

Ориентировочная высота индуктирующего витка, м:

 

 

 

 

 

По сортименту выпускаемых  промышленностью трубок выбираем трубку прямоугольного сечения с размером 40×45 мм с толщиной стенки 7 мм.

Соответственно поперечное сечение канала охлаждения, м²:

 

 

 

Таким образом, фактическая  высота витка индуктора  h_в = 0,034 м.

Уточняем высоту индуктора, м:

 

 

 

 

 

Активное сопротивление  системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

 Реактивное сопротивление системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

Полное сопротивление  системы индуктор – загрузка, Ом:

 

 

 

Ток индуктора, А:

 

 

 

Линейная плотность тока в индукторе, А/м:

 

 

 

Плотность тока по сечению  трубки индуктора, :

 

 

 

 

Емкость конденсаторной батареи, мкФ:

 

 

 

где - реактивная мощность индуктора, кВар:

 

 

 

 

 

Потребное количество конденсаторов, шт.:

 

 

 

 
        _{4.3 Расчет магнитопровода}