Разработка конструкции электрической индукционной печи

  Плавка  в печи с основной футеровкой. Продолжительность  плавки в индукционной печи очень  небольшая, что не позволяет многократно  проверить состав металла путем  его анализа. Поэтому получение  стали, с заданным составом базируется на предварительном расчете шихты, для чего необходимы точное знание ее состава и взвешивание. В частности, содержание углерода, серы и фосфора не должно превышать допустимых в выплавляемой стали пределов.

  Шихту составляют из мелких и крупных кусков, что обеспечивает плотность ее укладки и сокращение длительности плавления. Наиболее крупные куски укладывают у стенок тигля, где плотность токов максимальная. Тугоплавкие ферросплавы загружают в нижнюю половину тигля.

  После включения тока следят за тем, чтобы куски шихты не сваривались в «мосты», препятствующие оседанию плавящихся кусков вниз. Периодически шихту «осаживают» с помощью ломика. По мере оседания шихты догружают ту ее часть, которая не вместилась при завалке. После появления жидкого металла в тигель вводят шлакообразующую смесь из извести, плавикового шпата и магнезита в соотношении 4:1:1. Назначение наводимого шлака — уменьшить насыщение металла газами из атмосферы и окисление легирующих элементов. При плавлении поддерживают максимальную мощность генератора и высокий cosφ путем подключения конденсаторов. Длительность плавления изменяется от 30—40 мин на малых печах (емкостью ~50 кг) до 2 ч на крупных. После расплавления отбирают пробу металла на анализ и сливают плавильный шлак, чтобы предотвратить восстановление из него фосфора, после чего наводят новый шлак, добавляя шлакообразующую смесь того же состава, что и в период плавления. Мощность, подаваемую на индуктор, снижают на 30—40 %. После получения результатов анализа проводят легирование, корректировку состава металла и его раскисление путем введения в тигель соответствующих ферросплавов, после чего металл сливают из тигля в ковш.   

    

      

 

Иногда при выплавке высококачественных сталей проводят диффузионное раскисление  металла. Для этого в шлак вводят раскислительные смеси, состоящие из извести, молотого ферросилиция, порошкообразного алюминия, делая выдержку в течение примерно 30 мин; циркуляция металла в тигле индукционной печи ускоряет раскисление.

  Ферросплавы при плавке в индукционной печи присаживают в следующем порядке: феррохром, ферровольфрам и ферромолибден вводят в завалку; ферромарганец, ферросилиций и феррованадий — за 7—10 мин до выпуска; алюминий перед выпуском. При таком порядке введения угар элементов следующий: вольфрама около 2 %, хрома, марганца и ванадия — 5—10 %, кремния — 10—15 %, титана 25—35 %.

  Плавка  в печи с кислой футеровкой. Содержание серы, фосфора и углерода не должно превышать допустимых в выплавляемой стали пределов. При выплавке сталей легированных хромом, вольфрамом и молибденом в завалку вводят феррохром, ферровольфрам, ферромолибден. Загрузку шихты и расплавление ведут так же, как и в тигле с основной футеровкой. Шлак во время плавления шихты наводят добавками боя стекла, шамота и извести

  После расплавления и анализа отбираемой пробы металла проводят легирование (корректировку состава) и раскисление. Ферромарганец, ферросилиций и, если необходимо, феррованадий, вводят в металл на 7—10 мин до выпуска, алюминий непосредственно перед выпуском. Угар марганца составляет 10 %, кремний практически не угорает, угар вольфрама и молибдена около 2 %, хрома 5 %.

Расход  электроэнергии при выплавке стали  в индукционных печах составляет 500—700 кВт·ч/т. 

    

      

 

Расчёт  материального баланса.

  1.Определение веса полезного сливаемого металла ( полезной ёмкости тигля) :

                   G_П= П(Т₁+Т₂) , т,

     где         G_П- полезная ёмкость тигля, 16т;

               П- производительность печи, 5т/ч;

               Т₁-длительность плавки, 2,8ч;

               Т₂-длительность разливки и загрузки печи, ч.

Следовательно, из этого выражения можно найти  Т₂, ч;

 Т₂= (G_П -ПТ₁)/П=(16-5·2,8 )/5=0,4 ч;

  2.Определение потребного содержания алюминия, магния, кремния и марганца в сплаве:

                16000 · 0,946 = 15136 кг алюминия;

                16000 · 0,045 = 720  кг магния;

                16000 · 0,008 = 128  кг кремния;

                16000 · 0,001 = 16  кг марганца.

  3. Шихту составляем из следующих исходных материалов :

1) отходы в  количестве  6400 кг ( 40% от G_П );

2) алюминий марки  А5Е;

3) магний марки  Мг90;

4) кремний марки  К1;

5) марганец марки  Мр1;

  4.Определение возможных потерь шихты в процессе плавки и разливки сплава:

1) угар алюминия  при среднеокисленной шихте составляет 1%, или 15136·0,01 = 151,36 кг;

2) угар магния  при этом равен 3%, или 720·0,03 = 21,6 кг;

3) угар кремния  равен 1%, или 128·0,01 = 1,28 кг;

4) угар марганца  равен 1%, или 16·0,01 = 0,16 кг;

5) органические  летучие вещества из расчёта  0,14% от массы отходов составляют 6400·0,14/100 = 8,96 кг;

6) количество  влаги ( 0,4% от массы отходов и 0,2 от массы свежих материалов) в шихте равно:

    6400·0,4/100 + 9600·0,2/100 = 25,6 + 19,2 = 44,8 кг;

7) количество  окислов ( уходящих в шлак ) принимаем  0,3% от массы возврата, или 6400·0,03/100 = 19,2 кг;

8) потери металла  в виде всплесков (1%) составляют: 16000·0,01 = 160 кг;

9) неуточнённые  потери металла составляют 0,4% или  16000·0,4/100 = 64 кг.

    Сумма  всех потерь:

∆G = 151,36 + 21,6 + 1,28 + 0,16 + 8,96 + 44,8 + 19,2 + 160 + 64 = 471,36 кг.

   5. Масса садки: G_C = G_П + ∆G =16000 + 471,36 = 16471,36 кг.

   

    

      
 

  6. Содержание алюминия и магния в отходах:

                 6400 · 0,955 = 6112 кг алюминия;

                 6400 · 0,045 = 288 кг магния;

  7.  Для шихты массой 16471,36 кг при выплавке сплава АЛ13 необходимо иметь:

  16471,36 · 94,6/100 = 15581,90656 кг алюминия;

                            16471,36 · 4,5/100 = 741,2112 кг магния;

                            16471,36 · 0,8/100 = 131,77088 кг кремния;

                            16471,36 · 0,1/100 = 16,47136 кг марганца.

    Следовательно,  в шихту надо добавить чистых  металлов:

             15581,90656 – 6112 = 9469,90656 кг алюминия ( марки А5Е );

             741,2112 – 288 = 453,2112 кг магния (марки  Мг90 ).

  8. Результаты расчётов сводим в таблицу материального баланса ( табл.1).

                                                                                                      

                                                                                                               Таблица 1

                                             Материальный баланс

 
 
 

Расчёт  теплового баланса

 

  1. Расчёт тепловых потерь на нагрев, расплавление и перегрев садки:                         

а) тепло, необходимое  для нагрева шихты до температуры  плавления:

                             Q₁ = ∑G_i C_i t_пл            ,  кДж ,

где      G_i- вес компонентов шихты, кг;

           C_i-удельная теплоёмкость соответствующего компонента шихты при

                  температуре плавления, кДж/кг·  °С;

           t_пл – температура плавления соответствующего компонента шихты, °С;

      Q₁ =  ( 15581,91·1,0·660 + 741,2112·1,1·650 +131,77088·0,9·1420 +   +16,47136·0,6·1244) = 10994742,0157  кДж;

б) тепло, необходимое  для расплавления шихты:

                             Q₂ = 4,19∑ G_i ·λ_пл   , кДж ,

где     G_i- вес компонентов шихты, кг;

            λ_пл- скрытая теплота плавления соответствующего компонента шихты, ккал/кг;

         Q₂ = 4,19 ( 15581,91·100 + 741,2112·80 + 131,77088·90 +16,47136·85) = =6832831,35795  кДж;

в) тепло, необходимое  для перегрева ванны:

                            Q₃=  G_c ( t_пер- t_пл ) С_пер,  кДж ,

            G_c – вес металлической садки, кг;

            t_пер – температура перегрева сплава, °С;

            С_пер- удельная теплоёмкость сплава при температуре перегрева, кДж/кг· °С;

             t_пл – температура плавления сплава, °С;

        Q₃ = 16471,36· (860-800) ·1,0 = 988281,6 кДж;

г) общее количество тепла, необходимого для нагрева, расплавления и перегрева садки:

                          Q_c = Q₁ + Q₂ + Q₃ ,

            Q_c = 10994742,0157  + 6832831,35795 + 988281,6 = 18815854,9736  , кДж

  2. Расчёт тепла, уносимого влагой:

                           Q_вл = 4,19[ G_вл · С_вл (t_к – t_o ) + G_вл· τ ],  кДж.

              G_вл – количество влаги в шихте, кг;

              С_вл – теплоёмкость воды, ккал/кг·град;

              t_к – температура кипения воды, °С;

              t_o – начальная температура шихты, °С;

              τ- удельная теплота парообразования при температуре кипения воды, ккал/кг;