Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

СОДЕРЖАНИЕ

 

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

1. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы……………..6
2. Определение геометрических размеров

      системы  «индуктор-металл»………………………………………………13

3. Тепловой расчёт
0. Определение полезной энергии………………….………………………….15
0. Определение тепловых потерь……………………………..………………..15
4. Электрический расчёт
0. Обоснование рабочей частоты тока………………………………………...21
0. Расчет электрических параметров………………...………………………...22
0. Расчет конденсаторной батареи……………………………………………..24
5. Составление энергетического баланса………………………………..…..25

Литература…………………………………………………………………..…28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                          Введение

    Индукционные плавильные  печи имеют индуктор – катушку,  подключаемую к сети переменного тока. При протекании по катушке тока в окружающем ее пространстве возникает переменное электромагнитное поле. При воздействии переменного поля на металлические тела последние нагреваются. Скорость нагрева зависит от теплофизических свойств нагреваемого металла и параметров магнитного и электрического поля.

     Основной  физической характеристикой магнитного  поля является магнитная индукция  В, Тл. Характеристикой магнитного  поля служит также напряженность  Н магнитного поля (А/м). Магнитная индукция и напряженность поля связаны между собой соотношением:

;

где m- магнитная проницаемость вещества.

      m₀- абсолютная магнитная проницаемость, равная .

     Количество энергии,  передаваемое магнитным полем, связано с магнитным потоком. В однородном магнитном поле магнитный поток равен произведению магнитной индукции на площадь:

                                                     

     Вокруг прямолинейного  проводника при протекании по нему переменного электрического тока возникает изменяющееся во времени (по величине и направлению) магнитное поле. Силовые линии этого поля представляют собой концентрические окружности, центр которых расположен на оси проводника. Наиболее плотно силовые линии магнитного поля расположены около проводника. Здесь магнитное поле имеет наибольшую напряженность. Напряженность магнитного поля в пространстве вокруг проводника:

где I- сила тока в проводнике, А;

      R- расстояние от оси проводника, м.

     При значительном  расстоянии между двумя прямолинейными  проводниками их магнитные поля  практически не взаимодействуют  между собой. Однако, если расстояние  между проводниками мало, их магнитные  поля влияют друг на друга.  Если вектора магнитной индукции полей имеют одинаковое направление, то взаимодействие полей приводит к увеличению магнитной индукции суммарного поля. Если направление векторов противоположно, то результатом взаимодействия полей будет уменьшение магнитной индукции поля.

     Изменение магнитного  поля всегда сопровождается появлением  электрического поля. Интенсивность  электрического поля Е. Силовые  линии

 

 

 

 электрического поля  расположены в плоскости, перпендикулярной  к силовым линиям магнитного  поля. Силовые линии электрического поля замкнутые, т.е. возникающее электрическое поле является вихревым. Такое поле вызывает в теле движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы. В контуре, расположенном в проводящей среде, ЭДС вызывает электрический ток. ЭДС не зависит от рода вещества и его физического состояния, а зависит от магнитного потока и скорости его изменения.

     Значение наведенного  в теле электрического напряжения:

где f- частота тока, питающего индуктор, Гц;

      Ф- максимальное  значение магнитного потока, Вб.

     Таким образом, если  в переменное магнитное поле  поместить предмет, то в нем  возникают вихревое электрическое  поле. Возникающий электрический  ток называют вихревым, или током  Фуко.

    Вихревые токи нагревают  тело. Массивные тела имееют небольшое  электрическое сопротивление, поэтому  вихревые токи в них могут  быть очень большими.

    Переменный ток в отличие  от постоянного распределяется  по сечению проводника неравномерно. Чем больше частота тока, диаметр проводника, его электрическая проводимость и магнитная проницаемость, тем более неравномерно распределяется ток по сечению. При очень высоких частотах и больших диаметрах проводника практически весь ток проходит только в тонком поверхностном слое проводника. Для упрщения расчетов считают, что в проводнике ток течет лишь в поверхностном слое толщиной D. Глубину проникания тока определяют по формуле:

где r- удельное электросопротивление нагреваемого тела,

      m- магнитная проницаемость нагреваемого тела;

      f- частота тока, питающего индуктор, Гц.

     Величина  электрического тока зависит  от электрического сопротивления  проводника, поэтому важно знать  размеры площади проводника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        1. ОПИСАНИЕ ТИГЕЛЬНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ.

ПРИНЦИП РАБОТЫ.

     В индукционных  тигельных печах плавят чугун, медь, бронзу, алюминий и т.д.

     Принцип действия  тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. Под действием возникающей ЭДС в металле течёт ток, металл нагревается и плавится.

     Внутри индуктора  расположен тигель из огнеупорного  материала. Внутреннее пространство  тигля заполняется расплавленным  металлом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого металла. Толщина стенки тигля, т.е. расстояние между индуктором и жидким металлом, влияет на электрические параметры печи: чем толще стенка, тем больше количество магнитных силовых линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве металла и тем, следовательно, меньше cosφ печи. У тигельных печей cosφ=0,005÷0,2.

     При протекании электрического  тока по индуктору энергия  из сети расходуется на создание  магнитного поля. Часть энергии  поля затрачивается на нагрев металлических тел, находящихся в том поле, а остальная часть возвращается обратно в электрическую сеть. С точки зрения рационального использования электрической сети целесообразно потреблять из сети столько энергии, сколько её необходимо для осуществления нагрева. Однако работа индукционной печи невозможно без создания магнитного поля, поэтому количество энергии, подводимой к индуктору, всегда больше количества энергии, расходуемой на нагрев.

      Принято количество  энергии, взятой из электрической сети, называть полной мощностью S, часть энергии, израсходованной на нагрев,- активной мощностью P, а часть энергии, возвращаемой в сеть – реактивной (индуктивной) мощностью Q. Полную мощность измеряют в вольт-амперах (В*А) или киловольт-амперах (кВ*А). Реактивную мощность измеряют в вольт-амперах реактивных или киловольт-амперах реактивных.

     Полная, активная и реактивная мощности связаны между собой соотношением   .

Графическая зависимость между  S, P, Q показана на рисунке 1.

Рис 1. Определение коэффициента мощности печи.

 

 

 

 

Активная и реактивная мощности представляют собой катеты, а полная мощность – гипотенузу прямоугольного треугольника. Угол между P и S обозначен φ. Отношение активной мощности к полной P/S= cosφ. Понятие cosφ широко используется в технике. По значению cosφ судят о загрузке электросети. Чем выше cosφ , тем рациональнее используется сеть.

При cosφ=1 в тепловую энергию преобразуется вся энергия, отбираемая из сети. При низких значениях cosφ в тепловую энергию может быть преобразована только небольшая часть энергии, отбираемой из сети. Ясно, что при cosφ=0 вся энергия, отбираемая из сети, вначале превращается в энергию магнитного поля, а затем вновь вращается в сеть. В этом случае происходит лишь загрузка сети, а полезное превращение энергии в теплоту отсутствует.

     Повысить cosφ индукционной печи по отношению к питающей электрической сети можно подключением параллельно индуктору конденсаторов рисунок 2. При достаточном количестве конденсаторов, т.е. когда мощность конденсаторов Qc, будет равна индуктивной мощности печи Q, cosφ=1 рисунок 2а, что позволяет значительно уменьшить силу тока в проводящей электрической сети при сохранении в печном контуре прежней силы тока. По контуру, включающему индуктор и конденсаторную батарею, происходит ток большой силы. Поэтому для соединения индуктора с конденсаторной батареей используют шины и кабель большого сечения.

     Магнитный  поток, создаваемый индуктором, проходит по замкнутым линиям как внутри его, так и снаружи. В зависимости от прохождения магнитного потока с внешней стороны индуктора различают открытую, экранированную и закрытую конструкции печей.

     При закрытой  конструкции магнитный поток  с внешней стороны индуктора  проходит по радиально расположенным пакетам трансформаторной стали – магнитопроводам. Магнитная проницаемость трансформаторной стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводам. Магнитопроводы целесообразно располагать как можно ближе к индуктору. Это уменьшает размеры печи и увеличивает жёсткость индуктора. Число магнитопроводов и их размеры определяют в зависимости от мощности печи, частоты питающего тока, характеристики трансформаторной стали и т.д. закрытую конструкцию широко применяют в печах большой вместительности.

     Большое  значение для работы индукционной  печи имеет частота питающего  тока. Каждому значению вместимости  печи и электрическому сопротивлению  шихты соответствует определённая частота тока. При выборе частоты тока учитывают, что внутренний диаметр тигля должен быть больше или равен 3,5 глубины проникновения тока в шихту.

      Индукционные  тигельные печи состоят из  следующих основных частей: индуктора, магнитопровода, каркаса, футеровки, механизма наклона, электрооборудования и системы охлаждения печи.

Индуктор.Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку из медной трубки. Индуктор изготавливают из меди потому, что ею поглощается меньше энергии электромагнитного поля, чем сталью и другими материалами. Профиль медной трубки: круглый, квадратный, прямоугольный. Толщину стенки медной трубки выбирают в зависимости от частоты питающего тока. Исходя из необходимости обеспечения минимальных потерь энергии в трубе, толщина её стенки должна быть на 30% больше глубины проникновения тока. Размер отверстия в трубке обусловлен расходом охлаждающей её воды. Поперечное сечение трубки зависит от тока, протекающего по индуктору.

      Для  подвода и отвода воды и  электроэнергии индуктор имеет припаянные штуцера. Между витками индуктора устанавливают электроизоляционные прокладки. Индуктор покрывают слоем эпоксидной смолы, чем обеспечивается надёжная электрическая изоляция одного витка от другого. Наружная часть – оклеена листовым асбестом.

      В печах  промышленной частоты верхний  уровень индуктора устанавливают  ниже уровня металла, вследствие чего уменьшается мениск на поверхности ванны и исключается выброс металла из тигля из-за электродинамической циркуляции.

Магнитопровод.Во избежание нагрева металлических частей печи полями рассеяния вокруг индуктора устанавливают внешний магнитопровод из листовой трансформаторной стали. Магнитопровод состоит из отдельных пакетов, расположенных равномерно по периметру индуктора. На печах промышленной частоты магнитопроводы изготавливают из стали. Длина пакетов выше высоты индуктора. Пакеты крепят к каркасу печи болтами и устанавливают вплотную к индуктору, что обеспечивает жёсктость конструкции и минимальное рассеяние магнитного потока.

Каркас.Каркасы печей большой вместимости должен иметь большую жёсткость и прочность, поэтому их изготавливают из профильной стали, т.е. швеллера, уголка, балки. Каркас воспринимает все нагрузки, возникающие при расширении печи (при нагреве), её наклоне, сливе металла и шлака.

Футеровка печи.Условия работы индукционной печи предъявляют определённые требования к её футеровке. Футеровка должна выдерживать механическое воздействие жидкого металла, что особенно важно для печи большой вместимости (свыше 10т.). Футеровка со стороны (поверхности) жидкого металла должна иметь плотную спёкшуюся поверхность, через которую он не сможет просочиться. Со стороны индуктора футеровка должна быть неспёкшайся. Это предупреждает образование в ней сквозных трещин. В процессе эксплуатации в плотном спёкшемся слое футеровки могут образовываться трещины. Жидкий металл, попадая по ним в неспёкшийся слой, разогревают его, и футеровка, спекаясь, закрывает трещину. Наличие неспёкшегося слоя исключает проникновение жидкого металла к индуктору.

      Стойкость футеровки определяет срок службы печи до очередного ремонта. В зависимости от металлургического процесса применяют кислые или основные огнеупорные материалы. Футеровка печи состоит из подины, тигля, верхнего кольца, крышки.

      Футеровку  тигля изготавливают методом уплотнения вибрацией с использованием ручных или механических вибраторов. Для изготовления тигля применяю сухие кварцевые массы. Вначале выполняют нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают нижнюю часть тигля. Затем на под тигля устанавливают металлический шаблон засыпают огнеупорную массу. Во избежании разделения фракций массы её подают в печь по матерчатому или резиновому рукаву.