Печи литейных цехов

     

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

где, k_d – коэффициент заполнения окружности стержнем, k_d = 0,78 – 0,88.

6. Наружный диаметр катушки, мм:

     d_кат = d_мг + 2 (S_з + S_кат ) = 133 + 2 (15 + 50) = 263 мм

     где, S_з – толщина зазора между стержнем магнитопровода и катушкой, S_з = 10-20 мм; S_кат – толщина катушки, S_кат = 20-50 мм.

7. Внутренний диаметр канала, мм:

     d_к.в = d_кат + 2 (S₁ + S₂ ) = 263 + 2(100 + 25) = 513 мм.

     где, S₁ – толщина футеровки между каналом и катушкой, S₁ = 65-150 мм; S₂ – толщина зазора между катушкой и футеровкой, S₂ = 10-30 мм.

8. Ширина канала в мм. Принимаем ширину канала 130 мм, т.е. b_k = 130 мм.
9. Длина канала в мм.

Длину канала определяем по его средней линии. Длина криволинейной  части канала 1185 мм, длина прямолинейного участка 133 мм.

                                  l_k = 1185 + 2×133 = 1451 мм.   

10. Площадь поперечного сечения канала. Принимаем j₂ = 10×10⁶ А / м², тогда

            F_k = 10³× Р_инд / (j₂²×ρ_м× l_k) = 10³× 200 / (100×10¹²×47,6×10^-8× 1,451) = 0,003 м².

     где, j₂ – плотность тока в канале, А / м²; ρ_м – удельное электросопротивление металла, Ом×м.   Принимаем ρ_м=47,6 Ом×м.  

11. Форма поперечного сечения канала. В поперечном сечении канал может иметь форму окружности, эллипса, овала или другой фигуры, не имеющей углов. Размеры поперечного сечения канала определяем с учётом уже найденной площади поперечного сечения и ширины канала.

     Принимаем канал в форме овала. Тогда  b_k = 130 мм,  h_k = 240 мм, F_k = 0,004 м².

12. Активное сопротивление канала, Ом:

                 R = ρ_м× l_k / F_k = 47,6×10^-8×1,451 / 0,003= 2,3×10^-4 Ом.

     

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

Индуктивность канала

                                L = L_внеш + L_вн = 3,5×10^-7 + 0,72 ×10^-7 = 4,22 ×10^-7 Гн

     где, L_внеш и L_вн – внешняя и внутренняя индуктивность канала, Гн;

     L_внеш = 2×10^-7× l_р× l_k ln(R₁ / R₂) = 2×10^-7× 1,15× 1,451 ln(0,19 / 0,065) = 3,5×10^-7 Гн.    

       L_вн = 10^-7 × l_k /2 = 10^-7 × 1,451/2 = 0,72 ×10^-7 Гн    

     где, R₁ – расстояние от оси канала до катушки плюс глубина проникновения тока в катушку; R₂ – расстояние от оси канала до поверхности канала, т.е. R₂ = b_k /2;   l_р – коэффициент, учитывающий рассеяние энергии индуктором в зависимости от индукции в стержне. При В = 1,2 Тл  l_р = 1,15 

13. Индуктивное сопротивление канала, Ом:

            X_L = 2×π×f×L = 2×3,14×50×4,22·×10^-7 = 1,32 ×10^-4 Ом

14. Полное сопротивление канала, Ом:

         Ом

15. Коэффициент индуктивной мощности канала:

         сosφ = R / Z = 2,3×10^-4 / 2,65 ×10^-4 = 0,86

16. Активное  напряжение в канале, В:

          В

     Полное  напряжение в канале, В:

            U_к = U_к.а / сosφ = 6,78 / 0,86= 7,88 В

17. Полная мощность индуктора:

        S_инд = Р_инд / сosφ = 200 / 0,86= 232,5 кВ×А.

18. Реактивная (индуктивная) мощность, выделяющаяся в индукторе:

        квар

19. Полная мощность печи :     

        S = N× S_инд = 2×232,5 = 465 кВ×А

20. Реактивная мощность печи :

        Q = Q_инд×N = 118,56×2 = 237,12 квар

     

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

Число витков катушки  индуктора. Выбираем трансформатор  со следующей характеристикой. Первичное  напряжение 10000 В, вторичное напряжение (11 ступеней): 245, 341, 416, 490, 555, 596, 640, 682, 725, 768, 810 В. Принимаем, что мощность индуктора 200 кВт будет при подаче на катушку напряжения 245 В, тогда

                                        n = U₁ / U_к =245 / 7,88 = 31 витка

     Принимаем 32 витка. Для уменьшения длины катушки принимаем навивку в два слоя по 16 витков в каждом слое.

21. Сила тока в катушке:

                 I₁ = S_инд / U₁ = 235,5×10³ / 245 = 961,22 A

22. Площадь поперечного сечения витка катушки, мм². Принимаем j₁ =10 А/мм² тогда

            F_вит = I₁ / j₁ = 961,22 / 10 = 96,12 мм²

23. Ширина b_вит и высота витка h_вит катушки. Для изготовления катушки выбираем медный провод прямоугольного сечения 3х8 мм. Число проводов в витке 576: (3х8) =24. С учётом изоляции принимаем b_вит = 34 мм, h_вит = 20 мм.
24. Длина катушки, мм:

                             l_кат = b_вит ×n / k_сл = 34×32 / 2 =544 мм

25. Ёмкость конденсаторной батареи индуктора (для компенсации сosφ):

                С = 10⁹× Q_инд / (2×π×f × U₁²) = 10⁹× 118,56 / (2×3,14×50 × 245²) = 6290,37 мкФ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

                  3. Описание работы выбранного плавильного агрегата 

     Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.

     Конструктивно печь состоит из футерованной ванны в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла, и находящейся под ванной индукционной единицы.

     Ванна сообщается с плавильным каналом, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.

     Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом, в который вставляется индуктор, навитый на стержень замкнутого магнитопровода.

     Индукционная  единица объединяет печной трансформатор  и подовый камень с каналом.

     Индуктор  является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет  расплавленный металл, заполняющий  канал и находящийся в нижней части ванны.

     Ток, протекающий во вторичной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти  вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 – 95 % подведенной к  печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.

     

Перемещение металла обусловлено главным образом электродинамическими усилиями, возникающими в канале, и в меньшей степени конвекцией, связанной перегревом металла в канале по отношению к Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

ванне. Перегрев ограничивается некоторой допустимой величиной,  лимитирующей допускаемую мощность в канале.

     Принцип действия канальной печи требует  постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 20 – 50 % полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Замораживание металла в канале не допускается, во время межплавочного простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.

     Индукционная  канальная печь имеет следующие  отличия от силовых трансформаторов:

1) вторичная  обмотка совмещена с нагрузкой  и имеет только один виток  с относительно малой высотой  по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков;

2) вторичный виток  – канал – находится  от индуктора на относительно большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощности, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это, в свою очередь, приводит к тому, что энергетические показатели индукционной канальной печи – это электрический коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – заметно ниже, чем у обычного трансформатора. Сквозное однонаправленное движение металла через канал и ванну вместо симметричной циркуляции позволяет усилить тепло- и массообмен, уменьшить перегрев металла в каналах и за счет этого увеличить стойкость подового камня. Для обеспечения такого движения Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

металла были предложены различные технические решения [7]: винтовые канал с устьями,

выходящими  в ванну на разной высоте, что резко усиливает конвекцию; каналы переменного сечения, в которых имеется не только радиальная (обжимающая), но и осевая составляющая сил электродинамического взаимодействия тока в канале с собственным магнитным полем; дополнительный электромагнит для создания электродинамической силы, перемещающей металл вверх по центральному каналу сдвоенной индукционной единицы. Применение винтовых каналов и каналов переменного сечения на одноканальных единицах себя не оправдало. Использование дополнительного электромагнита связано с усложнением и удорожанием печи и потому нашло лишь ограниченное применение. Использование каналов с устьями переменного сечения на сдвоенных индукционных единицах дало положительный результат. В сдвоенной единице с различной формой центрального и боковых устьев обусловлено однонаправленное движение металла, особенно интенсивное при отсутствии фазового сдвига между магнитными потоками индукторов. Такие единицы применяются в практике и обеспечивают удвоение срока службы футеровки.