Министерство образования Республики  Беларусь 

    БЕЛОРУССКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

              

                        Механико-технологический факультет

                 

                       Кафедра «Металлургические технологии»

                                   

                   

                                

                                     КУРСОВАЯ РАБОТА   

                                           по дисциплине

             «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика»

 Тема: «Разработка  конструкции электрической индукционной  печи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Руководитель  темы:                                                     Ратников П.Э.

ассистент                                             

                                                                                <<—— >> —————2005г.       
 

Исполнитель:                                                                 Алёхна И.Н.               

студент 3-го курса  гр.104122                                                                             

                                                                                <<——>>—————2005г. 
 
 

                                                  Минск 2005    

    

    

    Содержание

                                                                                                                     

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

 

          2.  Устройство индукционной печи…………………….…..………….…...5 

       3.  Классификация индукционных  печей…………………….…..……..…12 

       4.  Технология плавки………..……………………………..…….…….......14 

            5. Расчёт материального баланса……………..…………………..…….….16 

            6.  Расчёт теплового баланса….…………….…………………………..….18 

            7. Электрический расчет индукционной тигельной печи………………..22

           

            8. Общие правила безопастности…………………………………………..27 

            9. Список литературы…………………………….…………..……..……...28

 

        Введение

  В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой спираль с несколькими витками из токопроводящего материала. Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают его нагрев и плавление. Чтобы чрезмерно не увеличивать мощность питающего печь генератора в схему печи включают конденсаторы, компенсирующие индуктивное сопротивление индуктора. Как известно, наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока вызывает сдвиг фаз (величина силы тока отстает от величины напряжения), в результате чего снижается коэффициент мощности установки cosφ. Емкость вызывает обратный сдвиг фаз; подбирая емкость конденсаторов добиваются настройки установки в резонанс, когда угол сдвига фаз φ приближается к нулю, a cos φ к единице. Чем выше частота, тем меньше требуется емкость конденсаторной батареи. Важной особенностью индукционных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых с одной стороны токами, проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле. Еще одной особенностью индукционных печей является то, что плотность индуктируемых токов достигает максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к оси тигля («поверхностный эффект»). В этом поверхностном слое выделяется наибольшее количество тепла, за счет которого плавится шихта. Толщина слоя металла с большой плотностью индуктируемых токов обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.

  Индукционные  печи имеют следующие. преимущества по сравнению с дуговыми:

  1)  отсутствуют    высокотемпературные  дуги,  что уменьшает поглощение  водорода и азота и угар  металла  при   плавлении;

  2)  незначительный   угар   легирующих элементов   при переплаве   легированных отходов;

  3)  малые габариты печей, позволяющие

  поместить их в закрытые   камеры и   вести   плавку   и   разливку в вакууме   или   в   атмосфере   инертного   газа;

  4)  электродинамическое  перемешивание,  способствующее  получению однородного по составу и температуре металла.

  Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки  и низкая температура шлаков, которые  нагреваются от металла; из-за холодных шлаков затруднено удаление фосфора и серы при плавке.

    

      

       

        Устройство индукционной печи

    Индукционные печи делят на  два типа: 1) питаемые током повышенной  частоты; 2) питаемые током промышленной  частоты (50 Гц). В печах первого  типа частота питающего тока обычно снижается по мере роста емкости и диаметра тигля; малые (несколько килограмм и менее) печи питаются током с частотой от 50 до 1000 кГц, средние и крупные (емкостью до десятков тонн) токами с частотой 0,5—10 кГц. Индукционная плавильная установка состоит из печи с механизмом наклона и питающего электрооборудования (генератора повышенной частоты, батареи конденсаторов, щита управления и на крупных печах — автоматического регулятора электрического режима).

  Емкость  индукционных печей достигает 60 т. Основные элементы печи — каркас,  индуктор  и огнеупорный тигель,   который иногда закрывают крышкой.

  Каркас (кожух) печей небольшой емкости (<0,5 т) делают в форме прямоугольного параллелепипеда, используя асбоцемент, дерево, выполняя несущие ребра из уголков и полос немагнитной стали, дюралюминия. В местах соединения металлических элементов укладывают изоляционные прокладки для исключения возникновения кольцевых токов. Индуктор в таком каркасе крепят к верхней и нижней опорным асбоцементным плитам. В печах средней и большой емкости каркас выполняют из стали в виде сплошного кожуха цилиндрической формы (рис. 1); и иногда в виде «беличьей клетки», представляющей собой группу вертикальных стоек, приваренных к верхнему и нижнему опорным кольцам. Для уменьшения нагрева таких каркасов индуктируемыми токами и потерь с потоками рассеивания используют следующие конструктивные решения: а) каркас выполняют из немагнитной стали; б) между каркасом из обычной стали и индуктором размещают магнитопровод из нескольких пакетов трансформаторной стали, располагаемых вдоль индуктора (рис. 1); в) между индуктором и каркасом размещают замкнутый электромагнитный экран из металла с низким удельным сопротивлением (меди, алюминия).

  В каркасе жестко крепят индуктор, подовую  плиту, верхнюю керамику, пакеты магнитопровода. К передней части каркаса на уровне сливного носка прикрепляют две цапфы, что необходимо для поворота печи при сливе металла.

    Индуктор имеет форму полого  цилиндра и образован уложенными  в виде спирали витками из  медной трубки. Профили применяемых медных трубок показаны на (рис. 2, а); равностенные трубки используют обычно для печей повышенной частоты, а разностенные — для печей промышленной частоты. Для исключения электрического пробоя витки, как правило, изолируют (на малых печах с небольшим напряжением достаточна воздушная изоляция, достигаемая зазором между витками в 10—20 мм). Широко применяют следующие виды изоляции:

    
 

  обмоточную, когда витки покрывают изоляционным лаком и затем  обматывают лентой из диэлектрического материала (стеклоленты, микаленты);

                           

                            Индукционная печь емкостью 8 т

    

    

   

                                                         Рис. 1

1 — индуктор; 2 — тигель; 3 — подовая плита; 4 — съемный свод; 5 — сливной носок; 6 — стальной кожух; 7 — ось поворота; 8 — магнитопровод из трансформаторной стали 

  прокладочную, когда между покрытыми лаком  витками закрепляют диэлектрические  прокладки (например, из стеклотекстолита);

  напыленную,  когда на поверхность трубки газопламенным или плазменным способом наносят слой окиси   алюминия   или  двуокиси циркония   с последующим   покрытием лаком.

  Иногда  применяют монолитную изоляцию —  покрытые лаком витки заливают полимерным материалом (полиэфирным компаундом), после застывания, которого образуется монолитная конструкция.

    Прочность и жесткость индуктора,  являющегося опорой футеровки  тигля, обеспечивают, применяя индукторы  двух следующих разновидностей: с креплением витков шпильками  и стяжные индукторы. Во-первых, к виткам индуктора приваривают латунные шпильки; с помощью шпилек и латунных гаек витки крепят к нескольким вертикальным стойкам (рис. 2,б). 

 

                 Профили трубок для изготовления индуктора

    

    

                          

                                                                Рис. 2   

1- латунная шпилька; 2- гайка; 3- витка индуктора; 4- стойка  из изоляционного материала; 5- стяжной  болт; 6- вертикальная рейка; 7-нажимной  фланец  

  Из  изоляционного материала — текстолита, асбоцемента, дерева; стойки в свою очередь крепят к опорным плитам каркаса, расположенным над индуктором и под ним. В стяжных индукторах над верхним и под нижним витками размещают нажимные фланцы, которые стягивают в осевом направлении с помощью специальных болтов и вертикальных реек из изоляционного материала (см. рис. 2, в); вертикальные рейки препятствуют смещению витков в поперечном направлении. Для придания жесткости индуктору и его крепления в каркасе дополнительно используют пакеты магнитопровода, которые прижимают к индуктору через изолирующие прокладки с помощью специальных нажимных болтов.

Если  индуктор выполнен монолитным, то в  нем не требуется дополнительного  крепления витков, однако такие индукторы  применяют редко из-за сложности  ремонта трубки в случае ее повреждения. Высоту индуктора выбирают в пределах 1,1—1,2 высоты расплава в тигле, внутренний диаметр определяют из соотношения: D = D_т + 2b_ф + 2b_и , где D_т и b_ф — соответственно внутренний диаметр и толщина футеровки в середине тигля; b_и — толщина изоляционного слоя (<5—6 мм). Число витков индуктора определяют расчетом; плотность токов в индукторе достигает 20—40 А/мм². Подвод тока к индуктору чаще всего осуществляют с помощью гибких кабелей.

  По  внутренней полости медной трубки пропускают охлаждающую воду. Для обеспечения равномерного охлаждения на средних и больших печах индуктор делят на 2—4 секции с самостоятельным подводом воды.   

 

   Поступление воды контролируется реле, отключающем питание печи при  перерыве в подаче воды.

  Футеровка индукционной печи состоит из следующих основных элементов: футеровки тигля, подовой плиты (подины), верхней керамики (воротника) со сливным носком. Подовая плита служит основанием для футеровки тигля и для индуктора; на средних и крупных печах ее выполняют из шамотных блоков или кирпичей, иногда на крупных печах — из огнеупорного бетона. На малых печах подовую плиту делают также из нескольких асбоцементных плит, уложенных одна на другую (см. рис. 140).