Индукционная печь

 
 

Содержание 
 

Введение…………………………………………………………………….……4

Теплофизические свойства нагреваемого материала…………………………6

Расчет индуктора………………………………………………………………..8

Техника безопасности при эксплуатации электрических печей……………14

Список используемой литературы……………………………………………15 
 
 
 
 
 
 

 

   

  Введение 
 

     Индукционная  печь. Наряду с плавильными (топливными) печами во всех современных отраслях промышленности широко применяются электрические, в которых в тепловую энергию превращается не химическая энергия топлива, как в пламенных, а электрическая энергия. Поэтому рабочее пространство электропечей заполнено не продуктами сгорания топлива, а атмосферным воздухом или газами, получающимися как побочные продукты основного технологического процесса или как специально созданные для достижения определенных целей.

      На  заводах черной и цветной металлургии  электрические печи используют для  осуществления самых разнообразных  технологических процессов, начиная  с сушки и заканчивая плавлением и восстановлением металлов из руд.

     Индукционные  нагревательные установки относятся  к группе печей с внутренним тепловыделением, хотя толщина поверхностного слоя, в котором происходит процесс  теплогенерации, может быть более 1 мм. Огнеупорная футеровка, ограждающая рабочее пространство этих установок, сравнительно тонкая, а иногда и вообще отсутствует, поэтому их называют не печами, а просто установками. Вспомогательное оборудование, в частности электрическое, почти всегда занимает оббьем, гораздо больший объема рабочего пространства.

     Работать  индукционные установки могут как  периодически, так и непрерывно; нагревать в них можно немагнитные (алюминий, медь, титан и их сплавы, ) и магнитные ( железо, кобальт и их сплавы, ) металлы до температуры магнитных превращений и выше при горячей деформации, термической обработке, сварке. Частота рабочего тока может находиться в интервале от 50 Гц до нескольких сотен килогерц.

     В индукторе удельная мощность, а следовательно и скорость нагрева будет тем выше, чем больше частота тока. Отсюда же следует, что потребляемая мощность меняется также в зависимости от удельного сопротивления и магнитной проницаемости: материалы с низким удельным сопротивлением (медь, алюминий) греются медленнее, чем те, у которых удельное сопротивление выше (сталь, титан). В связи с этим при расчете их обычного нагрева весь период пребывания в индукторе делят на холодный (магнитный), промежуточный и горячий этапы. Период ускоренного нагрева также разбиваются на этапы. 

     Достоинства при сквозном нагреве металла:

• значительно более высокая (часто в десятки раз) производительность на единицу занимаемой площади;
• малое время нагрева способствующее уменьшению окалинообразования, соответственно увеличению выхода годного и срока службы деформирующих элементов (валков, штампов) обжимного оборудования;
• постоянная готовность к работе  обычно высокая ремонтопригодность;

 
           

• сравнительная простота систем автоматизации и  возможность встраивания в поточные линии;
• возможность нагрева металла в различных средах (в вакууме, в защитных газах);
• улучшение условий труда обслуживающего персонала за счет малых тепловыделений в цех и отсутствия загрязнений, загазованности.

      Недостатки:

• относительно высокая стоимость оборудования;
• более высокий удельный расход электроэнергии;
• трудность обеспечения равномерного по объему нагрева заготовок сложной формы;
• необходимость иметь собственный индуктор для каждого типоразмера изделий;
• необходимость защиты обслуживающего персонала от электромагнитного излучения на повышенных частотах

 

     Достоинства нагрева под поверхностную  закалку:

• высокое качество нагрева (по повторяемости нагрева и по поддержанию заданной температуры), меньший расход тепла;
• высокая производительность и отсутствие необходимости в предварительной подготовке поверхности изделий;
• отсутствие нежелательных побочных явлений, например загрязнения и деформации поверхности.

 

      Недостатки почти те же, что и у установок сквозного нагрева. К ним добавляется вероятность возникновения в нагреваемых заготовках микротрещин после закалки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Теплофизические свойства нагреваемого материала 
 

      Предел  прочности в сталях σв<1000-1500 мПа

      Углерод является основным легирующим элементом  в углеродистых конструкционных сталях и определяет механические свойства сталей этой группы. Повышение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Стали с содержанием углерода до 0,25% относятся к низкоуглеродистым. По качественному признаку углеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления стали обыкновенного качества обозначают: кипящую — кп, полуспокойную — пс и спокойную — сп. Кипящая сталь, содержащая не более 0,07% Si, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Спокойные стали получаются при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержат не менее 0,12% Si; сера и фосфор распределены в них более равномерно, чем в кипящих сталях. Эти стали менее склонны к старению и отличаются меньшей реакцией на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. Сталь обыкновенного качества поставляют без термической обработки в горячекатаном состоянии. Изготовленные из нее конструкции также не подвергают последующей термической обработке.

      Сталь углеродистую обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380—71подразделяют на три группы. Сталь группы А поставляют по механическим свойствам и для производства сварных конструкций не используют (группу А в обозначении стали не указывают; например, СтЗ. Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В по

химическому составу и механическим свойствам. Перед обозначением марки этих сталей указывают их группу, например, БСтЗ, ВСтЗ. Полуспокойную сталь марок 3 и 5 производят с обычным и повышенным содержанием марганца (после номера марки ставят букву Г). Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех степеней раскисления и сталь ВСтЗГпс, а также стали БСт1, БСт2, БСтЗ всех степеней раскисления и сталь БСтЗГпс поставляются с гарантией свариваемости. Для ответственных конструкций используют сталь группы В.

      Углеродистую  качественную сталь с нормальным (марки 10, 15 и 20) и повышенным (марки 15Г и 20Г) содержанием марганца поставляют в соответствии с ГОСТ 1050—74 и ГОСТ 4543—71. Она содержит пониженное количество серы. Стали этой группы для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации или закалки с отпуском (термоупрочнение). Механические свойства этих сталей зависят от термической обработки. Сварные конструкции, изготовленные из этих сталей, для повышения прочностных свойств можно подвергать последующей термической обработке.

      Стали, содержащие специально введенные элементы, которые отсутствуют в углеродистых сталях, называют легированными. Марганец считают легирующим компонентом при содержании его в стали более 0,7% по нижнему пределу, а кремний — при содержании свыше 0,4%. Поэтому углеродистые стали марок ВСт3Гпс, ВСт3Гпс, 15Г и 20Г с повышенным содержанием марганца по свариваемости следует отнести к низколегированным конструкционным сталям. Легирующие элементы, вводимые в сталь, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.

      В промышленности при производстве сварных  конструкций широко используют низкоуглеродистые низколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях не превышает 4,0% (не считая углерода), а углерода 0,25%.

      В зависимости от вводимых в сталь  легирующих элементов низколегированные стали разделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремненикелемедистые и т. д. Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравнению с другими низколегированными сталями марганцовистые стали позволяют получать сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3—0,4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Термическая обработка улучшает механические свойства стали, которые, однако, зависят от толщины проката. Особенно важно, что при этом может быть достигнуто значительное снижение температуры порога хладноломкости. Поэтому некоторые марки низколегированных сталей для производства сварных конструкций используют после упрочняющей термической обработки.

      У стали магнитная проницаемость  примерно до 650-750 слабо зависит от температуры, затем быстро уменьшается примерно до значений магнитной проницаемости вакуума.

      Это уменьшение происходит при 750-770 . Удельное сопротивление углеродистой стали примерно в 5-6 раз увеличивается при росте температуры до 770-800 , а затем рост его замедляется, причем значения для разных марок становится почти одинаковыми, близкими  к . В результате падения магнитной проницаемости и роста удельного сопротивления глубина проникающего тока в процессе нагрева стали до 1200 увеличивается в 8-10раз. 
 
 
 
 
 

Расчет  индуктора

Выбор частоты:

, Выбрав ближайшую стандартную частоту по прил.2 стр22

, F=7.2 по прил.1 стр.22

Определение времени нагрева:

т.к. т.е. 0,010_<0,016

Определение полезной мощности:

      -плотность стали, равная 

Определение геометрии индуктора

Электрический расчет индуктора:

 по прилож.6 стр.27

 по прил.7 стр.28

А по прил.8 стр.29

Активное сопротивление:

 для стали равна

Реактивное  сопротивление

B=0.26  по прил.8 стр.29

Активное сопротивление  индуктора

принимаю 

Сравнивая с

 значит 

при по рис. 3.2. стр. 12

q=0.8

Реактивное  сопротивление индуктора

. По прил.7 стр. 28 при  =0,055

Эквивалентное сопротивление системы индуктор-изделие  равно:

-активное:

-реактивное 

-полное 

Коэффициент полезного действия индуктора:

Коэффициент мощности индуктора:

Далее переходим  к расчету многовиткового индуктора.

Потери теплоты  излучением:

 

Средняя температура  металла:

и поверхности  футеровки:

Потери теплоты  теплопроводностью в воздушном  зазоре:

По прил. 9 стр.29

Суммарная потребляемая мощность:

Сила тока в одновитковом индукторе:

Напряжение  на одновитковом индукторе:

Мощность подведенная к индуктору:

Число витков индуктора:

Ширина индуктирующей  трубки по длине индуктора:

Проверка:

  7.35>1.5 2-допустимо

 условия выполнены, перерасчет  не требуется

Многовитковой индуктор:

Сила тока в многовитковом индукторе:

Активная мощность установки:

Реактивная  мощность установки:

Коэффициенты  полезного действия установки: