Электрический расчет индукционной канальной печи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАМЕНСК - УРАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
для выполнения
курсового и дипломного проектирования
« Электрический расчет индукционной канальной печи»
для студентов специальности 150102
« Металлургия цветных металлов»
ВЫПОЛНИЛ
О.В.ЧЕРЕДА
2006
1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1
1.
Электрический расчет индукционной печи
3
2.
Пример расчета индукционной печи
11
Литература
13
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в металлургическом производстве для плавки цветных
металлов и сплавов широко применяются электрические индукционные печи. Для
плавки меди и сплавов на её основе – латуни, бронзы, нейзильбера, мельхиора,
куниаля, а также алюминия, цинка и их сплавов наибольшее распространение
получили индукционные канальные печи. Эти печи обеспечивают однородность
химического состава, равномерность температуры расплавленного металла, а также
минимальную газонасыщенность. Канальные печи могут работать самостоятельно с
периодической разливкой расплавленного металла или в составе плавильнораздаточных агрегатов.
Достоинством этих установок является :
 минимальный угар и испарение металла, так как нагрев происходит снизу.;
 малый расход энергии на расплавление, нагрев и выдержку металла, печь
имеет высокий электрический КПД и тепловой КПД .
Принцип действие и конструкция индукционных канальных печей широко
освещены в специальной технической литературе ( 2,3 ).
В настоящем методическом пособии представлен упрощенный электрический
расчет индукционной канальной печи, который входит в состав необходимых
расчетов при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности
150102 «Металлургия цветных металлов» .
3
1. Электрический расчет индукционной печи
В качестве исходных данных для расчета принимаются:
- характеристики расплавляемого металла или сплава (температура плавления,
плотность в расплавленном состоянии, удельное сопротивление в твердом и
расплавленном состоянии);
- характеристика печи (назначение, производительность или емкость печи,
длительность плавки, загрузки и разливки);
- характеристики питающей сети (частота питающей сети, напряжение сети)
1.1 Определение емкости печи
Полная емкость печи G состоит из полезной (сливаемой) емкости Gn и остаточной
емкости (емкости болота) Gб
G= Gn + Gб ,кг
(1)
Остаточная емкость болота
Gб = Кб × G
(2)
где Кб – коэффициент, учитывающий остаточную емкость
Кб = 0,25 – 0,5 (меньшее значение для печей >1т, большее для печей <1т)
Полезная (сливаемая) емкость
Gn=
Аn ×10-3
mn
,кг
(3)
где - Аn суточная производительность (т/сут),
mn – число плавок в сутки.
mn=
24
τ1 + τ2
(4)
τ1 – длительность плавки металла, час;
τ2 – длительность разливки, чистки и т.д., час.
Если заданна полезная емкость печи, то полная определится
G=
Gn
1-кб
,кг
(5)
4
1.2 Объем ванны печи, заполняемой жидким металлом
Объем ванны печи
G
γмж
Vвn =
,м3
(6)
где - γмж- плотность жидкого металла , кг/м3.
Сечение ванны печи, Sвn, определяется после расчета канала печи.
Высота ванны hвn определяется по выражению
Vвn
Sвn
hвn =
,м
(7)
1.3 Выбор формы ванны печи
У печей шахтного типа плавильная камера выполнена в виде вертикального
цилиндра.
У печей барабанного типа – плавильная камера в виде горизонтального цилиндра.
При плавке меди и ее сплавов при загрузке до 3т применяются шахтные печи, более
3т – барабанные.
1.4 Определение мощности печи
Полезная активная мощность печи
Рпол =
Gn ×(q2-q1)
,Вт
3,6 τ1
(8)
где Gn – полезная емкость печи ,т
q1,q2 – начальное и конечное теплосодержание металла, Дж/кг
Подводимая к печи активная мощность
Рпол
Рn =
,Вт
(9)
,Вт
( 10 )
ηn
Если Pn < 300 кВт , то число индукционных единиц (n) равно 1.
На начальном этапе ηn обычно задается в пределах 0,6-0,9. Более высокие значения
относятся к печам большей емкости.
Так же величину подводимой к печи активной мощности можно определить:
Рn =
Gn ×Сp
τ1×ηn
где Gn – полезная емкость печи , кг;
Сp – энтальпия металла, Вт×ч/кг ;
τ1 – время плавки, ч;
ηn – КПД.
5
Полная мощность печи
Sn =
Рn
cosφ
,Вт.А
( 11 )
Значение cosφ приведены в таблице №1
Таблица №1
Значение cosφ
Металл
Латунь
Бронза
Медь
Медно-никелевые сплавы
cosφ
0,65-0,8
0,6-0,8
0,4-0,5
~ 0,8
Активная мощность одной индукционной единицы
Рn
Р=
n
где n – число индукционных единиц.
Полная мощность одной индукционной единицы
Р
S=
cosφ
,Вт.
( 12 )
,ВА
( 13 )
1.5 Расчет индукционной единицы
Включает в себя расчет печного трансформатора, индуктора и канала печи
1.5.1 Расчет поперечного сечения магнитопровода
Pψ
Sc=c√
, м2
( 14 )
Вmjmf1cosφ
где c = 0,51√lм/lс – коэффициент зависящий от конструкции трансформатора
печи;
Ψ=
mc
mм
коэффициент зависящий от отношения массы стали mc печного
трансформатора к массе меди mм обмотки индуктора;
lм – длина одного витка индуктора , м ;
lс - общая длина магнитопровода.
Из практических данных принимаем однофазный трансформатор стержневого типа.
Максимальное значение индукции Bm=1,2 Тл (для электротехнической стали
В≤1,3Тл). Коэффициент мощности cosφ (из расчета полезной мощности),
плотность тока в индукторе ји =11,5 10 А/м ;
значение ψ
для водяного охлаждения 25-30,
для воздушного охлаждения 5-25;
для стержневого трансформатора С= 0,27;
f - частота тока, 50 Гц.
6
Поперечное сечение с учетом межлистовой изоляции определяем:
Sc`
k3
Sc=
,м2
( 15 )
где k3 –коэффициент заполнения сталью (для листа электротехнической стали
толщиной 0,5 мм с оксидированым покрытием равен 0,95).
Внутренний диаметр изолирующей гильзы
4Sc
,м2
( 16 )
πkф
где kф =0,83 что соответствует ступенчатому сечению стержня
магнитопровода с числом ступеней 4.
Dг =
Для последующих расчетов принимаем гильзу из стеклотекстолита, толщина стенки
δ=6 мм.
1.5.2 Расчет геометрических размеров индуктора
Внутренний диаметр индуктора D1 , м
D1=Dг + 2dг
(17)
где Dг –внутренний диаметр изолирующей гильзы;
dг - толщина изолирующей гильзы.
Наружный диаметр индуктора D1и , м
D1и = D1 + 2d1 + 4δиз
(18)
где d1 = 10 мм , толщина проводника индуктора;
δиз = 1 мм, толщина межвитковой изоляции.
Средний диаметр индуктора
Dи = ( D1 + D1) / 2
, м
(19)
Ток индуктора при Uи = 380 В ,
Iи =
Рп `
Uи×cosφ
,А
( 20 )
Число витков индуктора
Uи
,
( 21 )
4,44×f×Вm×Sc
где Uи - напряжение индуктора, 380 В;
f - частота тока , 50 Гц;
Вm - максимальное значение индукции , Тл;
Sc - площадь поперечного сечения индуктора, м2.
Nи=
7
1.5.3 Расчет геометрических размеров консольной части
 Проем подового камня
Dn = D1u + 2db
,м
где 2db – зазор между индуктором и подовым камнем для воздушного
охлаждения = 0,15 м
 Внутренний диаметр канала индукционной единицы
Dk = Dn + 2dф
,м
где dф – толщина футировки = 0,15 м
Для современных индукционных печей должно выполнятся соотношение
D1u
= 0,65÷0,75
Dk
 Глубина проникновения тока в жидкий металл канала
2ρ2
Δг=√
,м
( 24 )
μ2πf2
где ρ2 – удельное сопротивление
Удельные сопротивление металлов приведены в таблице №2
Таблица№2 - Удельные сопротивление металлов
Металл
Удельное сопротивление
Латунь
Медь
Бронза
40×10-8
21×10-8
42×10-8
μ = 4π10-7 Гн/м – магнитная проницаемость металла
f2 – частота тока
 Радиальный размер канала индукционной единицы
d2 ≤ (0,5÷0,75)Δ2
В аналогичных индукционных канальных печах принимаем каналы сечением
(0,022÷0,09)
 Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне
горизонтальной оси
lb = Dk + d2
,м
 Сечение канала определяется
Ik
,м
( 27 )
jk
где Ik = Iu + Nu – ток в индукционном канале единицы , А
jk – плотность тока в жидком металле в канале печи
Sk=
jk=√
Pk уд
ς2
, А/м2
( 28 )
8
Таблица №3
Металл
Медь
Латунь
Бронза
ς2
Pk уд
40÷50×10 Вт/м3
50÷60×106 Вт/м3
50÷60×106 Вт/м3
15 А/мм
10 А/мм2
10 А/мм2
6
2
 Осевой размер канала индукционной единицы
Sk
a2 =
,м
( 29 )
d2
Определяем отношение осевого размера к радиальному a2/d2 , если a2>5d2 , то
принимаем два паралельных канала, разнесенных в осевом направлении на
расстояние dk = 1,5a2/2
Осевой размер каждого канала d2' = 0,5a2
 Объем двух каналов составит
Vk=
Pn
Pk уд
, м3
( 30 )
Vk
Sk
,м
( 31 )
 Длина канала по средней линии
lk=
lk' < lk
 Минимальная длина канала
lk' =πlb
,м
(32)
 Размеры отдельных участков канала печи определяется с использованием
эскиза
m1 = 0,5lk' m2 = 0,05м m3 = 0,68795м
Полная длина канала по средней линии
lk = m1+2m2+m3
 Диаметр наружной части подового камня
Dф = lb' + 2dф
Dф.н = 0,1÷0,25м
,м
 Масса металла в канале
mмк = γмж×Vки = γмж×a2((2m2+0,5πlb)×d2+Δ2m3)
Масса металла в ванне печи
Mмв = G – mмк
,кг
Объем ванны печи, занятой жидким металлом
Vвп =
Mмв
Γжм
, м3
( 31 )
Высота жидкого металла в ванне
9
Hмв=
Vвп×4
π(Db)2
,м
( 32 )
Диаметр ванны принимается исходя из эскиза
Рисунок 1. Эскиз канальной части индукционной печи
10
2. Пример расчета индукционной печи
Рассчитать индукционную канальную печь емкостью 1,5 тонн для плавки бронзы
Полная емкость печи складывается из полезной (сливаемой) емкости и емкости
«болота» (остаточная).
2.1 Остаточная емкость определяется по формуле (2)
Gб=Kб×G=0,3×1500=450 (кг)
Сливаемая емкость из формулы (1)
Gn=G-Gб=1500-450=1050 (кг)
2.2 Объем ванные печи из формулы (6)
Vвп =G/γмж =1500/8000 = 0,1875(м3)
2.3Формуванны печи выбираем шахтного типа – плавильная камера в виде
горизонтального цилиндра.
2.4 Полная активная мощность печи, формула (8)
Рпол = Qэлектр/3600 = 200000Вт = кВт
Подводимая к печи активная мощность
Рп = Рпол /ηп = 200/0,7 = 285 к Вт
Полная мощность печи из формулы (11)
Sп = Pп/cosφ = 285/0,7 = 407 к Вт
Активная мощность одной индукционной единицы
Р = 285/1 = 285 кВт
Полная мощность
S= 285/0,7 = 407 кВт
2.5 Расчет индукционной единицы
2.5.1 Площадь поперечного сечения, формула (13)
Sс = 0,27
285 103  27
1,2 11,5 10 6  50  0,7 = 0,034 (м2)
Площадь поперечного сечения с учетом межлистовой изоляции
по формуле (14)
Sс = 0,034/0,95 = 0,036
(м2)
Внутренний диаметр изолирующей гильзы по формуле (15)
D2 =
4S c
 ф
=
4  0.036
= 0,2346 (м)
3.14  0.83
2.5.2 Расчет геометрических размеров индуктора
Внутренний диаметр индуктора определяем по формуле (16)
D1 = 0,2346 + 2 х 0,006 = 0,2466 (м)
Наружный диаметр индуктора определяем по формуле (16)
D1и = 0,2466 + 2 х 0,1 + 4 х 0,001 = 0,2706 (м)
11
Средний диаметр индуктора по формуле (18)
Dи = 0,2466+0,2706/2 = 0,2586 (м)
Число витков по формуле (19)
Nи = 380 / 4,44х50х1,2х0,036 = 39,62 ≈ 40
Принимаем 40 витков индуктора
Ток индуктора по формуле (20)
Iи = 285х103 / 380х0,7 = 1071 (А)
2.6 Расчет геометрических размеров канальной печи
Проем подового камня, формула (21)
Dп = 0,2706+2х0,015 = 0,3006 (м)
Внутренний диаметр канала индукционной единицы по формуле (22)
Dк = 0,3006+2х0,05 = 0,4006 (м)
D1и / Dк = 0,2706 / 0,4006 = 0,675
Необходимое соотношение выполняется
Глубина проникновения тока в жидкий металл канала определяется по
формуле (23)
∆2 =
2  42 10 8
= 0,046(м)
4 10 7  2  50
Радиальный размер канала определяется по формуле (24)
d2 ≤ 0,5×0,046 ≤ 0,023 (м)
Принимаем каналы сечением (0,022×0,09) м2
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне
горизонтальной оси, формула (25)
Lв = 0,4006+0,023 = 0,4236 (м)
Расстояние между наружными стенками устьев канала, формула (26)
Lв1 = 0,4006+2×0,023 = 0,4466 (м)
Определяем площадь сечения канала, формулы (27,28,29)
Iк = 1071× 40 42870 (А)
Јк =
50  10 6
= 10,9×106 (А/м2)
42  10 8
Sк = 42870 / 10,9×106 = 0,00393 (м2)
Осевой размер канала индукционной единицы определяется по формуле (30)
a2 = 0,00393 / 0,023 = 0,171 (м)
a2 / d2 = 0,171/0,023 = 7,43
так как это отношение больше 5, принимаем два параллельных канала,
разнесенный в осевом направлении на расстояние
dк = 1,5×a2 / 2 = 1,5×0,171 / 2 = 0,128 (м)
Осевой размер каждого канала
a21 = a2 /2 = 0,171 / 2 = 0,0855 (м)
Объем двух каналов составит, формула (31)
Vк = 265000 / 50×106 = 0,0057 (м)
Длина канала по средней линии, формула (32)
lк1 = 3,14×0,4236 1,33 (м)
Размеры отдельных участков канала печи определяем с использованием
эскиза печи (рисунок 1)
m1 = lк1 / 2 = 1,33 / 2 = 0,665 (м)
m2 = 0,05 (м)
m3 = lк – m1 -2×m2 = 1,45 – 0,665 – 0,1 = 0,685 (м)
12
Диаметр наружной части подового камня
Dф = 0,4466 + 2 × 0,1 = 0,6466 (м)
Масса металла в канале
mм.к. = 8000 × 0,171 [(2×0,5+
3,14  0,4236
)×0,023+0,046×0,685] = 67,05 (кг)
2
Масса металла в ванне печи
mм.в. = 1500-67,05 = 1432,95 (кг)
Объем ванны печи, занятой жидким металлом
Vв.п. = 1432,95 / 8000 = 0,179 (м3)
Высота жидкого металла в ванне
hм.в. = 0,179×4 / 3,14×0,64662 = 0,545 (м)
Диаметр Dв принят 0,6466 исходя из эскиза печи (рисунок2).
Рисунок 2. Эскиз канальной части индукционной печи
13
ЛИТЕРАТУРА
1. Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия,
1974 .
248 с.:64 ил.
2. Башенко В.В., Донской А.В., Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной
металлургии. М.: Металлургия , 1971 . 320 с.
3. Фомин Н.И. ,Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного
нагрева.
М.: Металлургия ,1979, 247 с.
4. Волкогон Г.М.,Брезгунов М.М. Производство слитков меди и медных сплавов.М.
: Металлургия, 1980. 100 с.
14