Введение
ГЛАВА 1. Особенности индукционных канальных печей
1.1. Назначение и область применения индукционных канальных печей
1.2. Конструкция индукционной канальной печи
1.3. Обзор основных типов канальных печей
1.4. Особенности канальных печей для плавки алюминия
1.5. Выбор конструкции печи
1.6. Эксплуатация индукционных канальных печей
1.7. Печи для плавки алюминия
ГЛАВА 2. Расчет параметров индукционной канальной печи
2.1. Определение емкости печи
2.2. Определение активной мощности печи
2.3.5. Расчет магнитопровода
2.3.6. Расчет коэффициента мощности
2.3.7. Расчет электрического КПД
ГЛАВА 3. Расчет охлаждения печи
3.1. Расчет воздушного охлаждения печи
3.2. Расчет водяного охлаждения печи
ГЛАВА 4. Выбор электрооборудования
4.1 Выбор конденсаторной батареи
4.2 Выбор источника питания
ГЛАВА 5. Энергетический баланс печи
Список литературы
Введение
Существующая потребность современной техники в специальных сталях и сплавах определяет развитие специальной электрометаллургии как отрасли по производству черных и цветных металлов, что вызывает необходимость создания новых и совершенствование существующих электротермических агрегатов.
Технико-экономические предпосылки применения электро-нагрева в промышленности связаны с тем, что ряд технологических процессов практически невозможно осуществить без электронагрева.
Целесообразность его применения определяется значимостью получаемой продукции, величину экономического эффекта подсчитывают по отношению к отрасли без электронагрева.
Использование электронагрева позволяет получать продукцию более высокого качества и обеспечивать (при прочих равных условиях) улучшенные экологичные условия производства. Простота подачи электрической энергии, технологичность ее применения и относительная простота регулирования подводимой мощности делают этот вид энергии незаменимым при получении жидкого металла высокого качества.
Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов, включающие весь комплекс устройств, которые обеспечивают осуществление электротехнологического процесса, включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т. п. Они предназначены для плавки черных, цветных и благородных металлов; получения высококачественных сталей и специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава.
Часть индукционной установки, в которой нагреваемый металл или сплав доводится до температуры плавления, т. е. до условий, при котором он меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева, называется индукционной плавильной печью (индукционная единица), которая включает в себя индуктор, каркас, камеру для плавки, а также механизмы наклона печи, вакуумную систему и др., в которой происходят процессы теплогенерации, расплавления материалов и придания им определенных свойств (химический состав, температура и др.).
ГЛАВА 1. Особенности индукционных канальных печей
1.1. Назначение и область применения индукционных канальных печей
Индукционные канальные печи используются для плавки цветных металлов, их сплавов и чугуна. Использование индукционных канальных печей для плавки стали ограничивается из-за недостаточной стойкости футеровки.
Индукционные канальные печи используются в тех случаях, когда к переплавляемому металлу предъявляются высокие требования, в том числе по минимальной газонасыщенности и неметаллическим включениям.
К преимуществам канальных печей можно отнести:
Минимальное окисление и испарение металла, так как нагрев происходит снизу. Наиболее нагретая часть расплава находится в каналах, а поверхность металла в ванне имеет сравнительно низкую температуру.
Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. Благодаря использованию замкнутого магнитопровода, канальная печь имеет высокий электрический КПД.
Однородность химического состава в ванне достигается благодаря циркуляции металла, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями.
Недостатками канальных печей являются:
Тяжелые условия работы подового камня. Стойкость футеровки снижается с ростом температуры расплава.
Необходимость постоянно держать в печи часть расплавленного металла. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей около 25-30 % полной емкости печи.
Шлак на поверхности имеет низкую температуру. Это затрудняет проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком.
1.2. Конструкция индукционной канальной печи
Индукционные канальные печи классифицируются прежде всего по металлам, для плавки которых они предназначены. Канальные печи большей частью выполняются наклоняющимися. По форме ванны различают три основных типа канальных печей: шахтные, барабанные и двухкамерные [1].
Не смотря на разнообразие типов индукционных канальных печей, основные конструктивные узлы являются общими для всех типов: футеровка, трансформатор печи, корпус, вентиляционная установка, механизм наклона [2].
Индукционная канальная печь (Рис.1) по принципу действия является трансформатором со стальным магнитопроводом 1, вторичная обмотка которого служит одновременно нагрузкой. Конструктивно печь состоит из футерованной ванны 2, в которой помещается расплавляемый металл 3, и находящейся под ванной индукционной единицы.
Рис.1. Устройство индукционной канальной печи
Она объединяет подовый камень 6, магнитопровод 1, индуктор 4. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7 и окружающим его каналом 5, устья которого открываются в ванну. Стержень магнитопровода располагается в проеме 7, а ярма охватывают подовый камень с боков. Индуктор 4 является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал 5 и находящийся в нижней части ванны.
Трансформатор печи. Схема трансформатора печи определяется конструкцией печи. Основными элементами трансформатора являются магнитопровод и индуктор.
Печь с одной индукционной единицей имеет однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом.
Печь со сдвоенной индукционной единицей представляет собой двухфазную нагрузку, так же, как печь с двумя отдельными однофазными индукционными единицами.
Печь с трехфазной индукционной единицей может иметь как 1 трехфазный трансформатор, так и три однофазных трансформатора. Последнее более предпочтительнее (так как обеспечивает более удобную сборку).
Магнитопровод. Изготавливается из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съемным из-за частых сборок и разборок. Форма поперечного сечения – квадратная или прямоугольная, а при значительной мощности – крестообразная или ступенчатая.
Индуктор. Представляет собой катушку, выполненную из медного провода. Обычно индуктор имеет круговую форму витков, а в печах для плавки алюминия, каналы которых состоят из прямолинейных отрезков, а сердечник имеет прямоугольное сечение, витки индуктора делаются прямоугольными.
Индуктор индукционной канальной печи имеет принудительное водяное или воздушное охлаждение.
Корпус печи. Корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны, кожуха индукционной единицы. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклонном положении. Каркас изготавливается из стальных фасонных балок.
Вентиляционная установка. В печах небольшой емкости, не имеющих водяного охлаждения, вентиляционная установка служит для отвода тепла от индуктора и поверхности проема подового камня, нагреваемой за счет теплопроводности от расплавленного металла в близко расположенных каналах. Применение водоохлаждаемого индуктора не освобождает от необходимости вентилировать проем подового камня во избежание перегрева его поверхности. Хотя современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но и водяное охлаждение кожухов и проемов подового камня (в проем вставляется водоохлаждаемый кессон), вентиляционная установка является обязательным элементом оборудования канальной печи.
Механизм наклона. Канальные печи малой емкости (150-200 кг) имеют обычно механизм наклона с ручным приводом. Крупные печи оборудуются механизмом наклона с гидравлическим приводом. Наклон барабанных печей осуществляется путем поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. Механизм наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи.
1.3. Обзор основных типов канальных печей
Печь шахтного типа (Рис.1). Имеет ванну в форме цилиндрической шахты с вертикальной осью. К ее достоинствам можно отнести простоту ремонта и замены футеровки ванны и удобство механизированной загрузки печи.
Печь барабанного типа(Рис.2). Ванна такой печи выполнена с горизонтальной осью. Индукционные единицы располагаются по обе стороны барабана. Ванна печи может поворачиваться в обе стороны вокруг горизонтальной оси, параллельной оси барабана. Это позволяет производить замену съемных индукционных единиц.
Рис.2. Схематическое устройство барабанной канальной печи
Двухкамерная канальная печь (Рис.3). В двухкамерной печи горизонтальные или наклонные каналы соединяют две ванны, одна из которых является плавильной, а другая разливочной. Каналы вместе с примыкающими участками ванн образуют замкнутый вторичный виток.
Рис.3. Схематическое устройство двухкамерной канальной печи.
1.4. Особенности канальных печей для плавки алюминия
Особенности канальных печей для плавки алюминия и его сплавов [3] связаны с легкой окисляемостью алюминия и другими свойствами металла и его окиси. Температура плавления алюминия 658°С, а разливки около 730°С. Низкая плотность жидкого алюминия делает нежелательной интенсивную циркуляцию расплава, так как неметаллические включения, увлеченные на глубину ванны, всплывают очень медленно. Расплавленный алюминий в печи покрывается пленкой твердой окиси, которая благодаря поверхностному натяжению алюминия удерживается на его поверхности, предохраняя металл от дальнейшего окисления. Однако, если сплошная пленка взломана, то осколки ее тонут и опускаются на дно ванны, попадая в каналы. Окись алюминия химически активна, и осколки пленки вследствие химического взаимодействия прикрепляются к стенкам каналов, уменьшая их сечение. В процессе работы каналы «зарастают» и их приходится периодически очищать.
Эти свойства алюминия и его окиси вынуждают работать с низкой удельной мощностью в каналах. При этом перегрев металла в каналах уменьшается, а температура на поверхности поддерживается на минимальном уровне, что ослабляет окисление, скорость которого растет с повышением температуры. При малой удельной мощности уменьшается циркуляция металла, что способствует сохранности окисной пленки и уменьшению количества неметаллических включений.
Обеспечить сохранность окисной пленки невозможно, так как она разрушается при загрузке шихты. В период расплавления взламывание пленки происходит главным образом вследствие циркуляции металла. Поэтому в печах для плавки алюминия принимают меры для её ослабления, особенно в верхней части ванны: уменьшают удельную мощность в каналах, часто применяют горизонтальное расположение каналов, а при вертикальном их расположении увеличивают глубину ванны, переход из канала в ванну выполняют под прямым углом, что увеличивает гидравлическое сопротивление устья канала. Горизонтальное расположение каналов имеет и то преимущество, что затруднено попадание осколков пленки в каналы, но не исключает его полностью, так как осколки могут увлекаться в каналы циркуляцией металла. Каналы печей для плавки алюминия состоят из прямолинейных участков, что позволяет облегчить их очистку. Зарастание канала сказывается на электрическом режиме тогда, когда его размер становится приблизительно равным глубине проникновения тока в металл, которая для расплавленного алюминия при частоте 50 Гц равна 3,5 см. Поэтому, чтобы очистку каналов проводить реже, принимают радиальный размер канала 6 – 10 см. Для горизонтального участка, очищать который особенно затруднительно, принимают радиальный размер канала этого участка примерно (1,3 – 1,5). Вертикальные участки очищают примерно один раз в смену, горизонтальные – один раз в сутки.
Наряду с применением печей других конструктивных типов применяют двухкамерные печи. Она может быть однофазной с двумя каналами, соединяющими ванны, или трехфазной с четырьмя каналами. В стенках ванн по осям каналов делают отверстия для чистки каналов, закрываемые глиняными пробками. Чистка производится после слива металла.
1.5. Выбор конструкции печи
Выше были рассмотрены основные типы индукционных канальных печей и их особенности, а также особенности плавки алюминия.
Печи для плавки алюминия имеют емкость от 0,2 до 40 т, коэффициент мощности из-за большого сечения канала низок, он составляет 0,3-0,4, а у крупных может быть даже ниже. Удельных расход энергии при плавке алюминия и его сплавов в канальных печах лежит в пределах 360-500 кВтч/т [1].
Выбор конструкции печи производят исходя из свойств выплавляемого металла, емкости ванны и потребляемой мощности.
Выбираем индукционную канальную печь барабанного типа. На рис.4. показана съемная индукционная единица для плавки алюминия. Вертикальные участки канала очищаются механическими инструментами сквозь жидкую ванну, для очистки нижнего горизонтального участка, требующей слива металла, предусмотрен разрез по линии А-А.
Рис.4. Съемная индукционная единица для плавки алюминия.
1.6. Эксплуатация индукционных канальных печей
Шихта для индукционных канальных печей составляется из чистых исходных материалов. В начале в печь загружаются тугоплавкие компоненты шихты, затем составляющие основную массу, в конце – легкоплавкие. Во избежание сваривания шихту необходимо осаждать в процессе плавки.
При плавке алюминия шихта должна быть очищена от неметаллических включений, так как из-за малой плотности алюминия они с трудом удаляются из расплава. Напряжение на индукторе в начале плавки должно быть пониженным, по мере накопления жидкого металла напряжение увеличивают.
При временных остановках канальную печь переводят в режим холостого хода. В печи оставляют лишь такое количество металла, при котором заполнены каналы и в каждом из них сохраняется замкнутое кольцо металла. Этот остаток необходимо поддерживать в жидком состоянии. При этот мощность составляет 10-15% от номинальной мощности печи.
Переход к новому составу сплава возможен только в том случае если футеровка по своим температурным характеристикам и химическим свойствам пригодна для нового сплава. Прежний сплав полностью сливается из печи и заливается новый.
Для нормальной эксплуатации канальной печи со съемными индукционными единицами необходимо иметь в резерве полный комплект разогретых единиц, готовых к замене Замена производится на горячей печи с временным отключением охлаждения.
При прекращении питания электрической энергией металл в печи может застыть, что является аварийным режимом, поэтому в схемах электроснабжения необходимо предусмотреть резервирование.
Состояние футеровки в процессе эксплуатации печи контролируется визуально. В местах где это невозможно, контроль осуществляется косвенными методами, путем регистрации активного и реактивного сопротивления каждого индуктора., которые определяются показаниями фазометра и киловаттметра.
1.7. Печи для плавки алюминия
Электрические печи сопротивления. По форме рабочего пространства делятся на тигельные и камерные. К основным преимуществам этих печей можно отнести:
— небольшой угар металла
— высокий тепловой КПД (до 70%)
— незначительное поглощение газов металлом
Наиболее широкое применение в промышленности получили камерные печи, тигельные печи используются в основном в лабораториях и при производстве изделий с небольшим расходом металла [4].
Камерные печи (рис.5) применяются для плавки чушкового алюминия в литейных цехах. Нагрев и плавление металла производится за счет лучистого теплообмена от нагревателей. В настоящее время выпускаются печи типа САК и САКМ (миксер). Емкость таких печей 0,6 – 40 т.
Однако, основными недостатками печей такого типа являются:
— низкая производительность в связи с повышенной длительностью плавки
— невысокая стойкость нагревательных элементов и футеровки.
Рис.5 Камерная раздаточная печь типа САК
Дуговые печи. Дуговые печи нашли широкое применение в промышленности для плавки стали, однако для плавки алюминия они считались не пригодными из-за большого угара металла. В настоящее время в промышленность внедряются дуговые печи постоянного тока для плавки алюминия (ДПА). Плавка алюминия и его сплавов в дуговых печах постоянного тока представляет собой новое направление, которое позволяет решить многие проблемы, существующих при использовании других известных типов печей. Основными преимуществами таких печей являются:
— относительно низкий расход электроэнергии
— сокращение угара металла (в 2-2,5 раза)
— возможность выплавки сплавов из вторичного сырья, не уступающим по качеству сплавам из первичных металлов
Дуговые печи постоянного тока для плавки алюминия (рис.6.) и его сплавов выпускаются емкостью от 0,08т до 30т.
Рис.6 Конструкция дуговой печи постоянного тока
Индукционные печи. Индукционные печи для плавки алюминия могут быть двух типов: тигельные (рис.7) и канальные печи. Канальные печи для плавки алюминия выпускаются емкостью от 0,2 до 40 тонн. Тигельные индукционные печи для плавки алюминия выпускаются емкостью 0,4 – 30 тонн. В отношении равномерности распределения температуры и однородности химического состава ванны и угара металла, канальные печи не уступают тигельным, а по значениям КПД и коэффициента мощности превосходят их. Для канальных печей характерен полунепрерывный или непрерывный режим работы. Несмотря на то, что канальные печи для плавки алюминия более экономичны чем тигельные, но из – за зарастания каналов при переплаве вторичного алюминия и шихты, содержащей много стружки, используют тигельные печи.
Рис. 7 Индукционная тигельная печь
ГЛАВА 2. Расчет параметров индукционной канальной печи
Исходные данные:
Металл печи: алюминий
Плотность металла: 2500 кг/м3
Температура плавления: 658 °С
Температура разливки: 730 °С
Производительность печи: 130 т/сут
Время плавки: 2,0 ч
Вспомогательное время: 0,4 ч
Режим работы: 3 смены (24 часа)
2.1. Определение емкости печи
1) Количество плавок в сутки:
n_сут=24/(T_1+T_2 )=24/(2,0+0,4)=10 плавок
2) Полезная емкость ванны печи:
G_вн=N_сут/n_сут =130/10=13 т
3) Полезный объем ванны:
V_вн=G_вн/γ_уд =13000/2500=7,2 м^3
2.2. Определение активной мощности печи
Формула для расчета активной мощности печи:
P_са=(N_сут c_i)/(20,65η_т )∙(T_1 T_2)/T_1 ,[кВт]
Найдем теплосодержание алюминия при температуре разливки:
Скрытая теплота плавления алюминия r=86,6 ккал/кг
Удельная теплоемкость жидкого алюминия с=0,259 ккал/кг
Температура плавления алюминия 658 °С
Температура разливки алюминия 730°С
Истинная удельная теплоемкость алюминия с=0,218+0,48*10-4*t
Тогда, теплосодержание алюминия при температуре разливки:
c_i=∫_0^658▒〖(0,218+0,48∙〖10〗^(-4)∙t)+86,6+0,259(730-658)=243 ккал/кг〗
Величину теплового КПД примем равной 0,8
Таким образом, активная мощность печи будет равна:
P_са=(N_сут c_i)/(20,65η_т )∙(T_1 T_2)/T_1 =(130∙243)/(20,65∙0,8)∙(2+0,4)/2=2294,67≈2295 кВт
Так как активная мощность печи велика, то выбираем печь с 4 сдвоенными индукционными единицами.
Определим мощность, приходящуюся на один индуктор:
P_ка=P_са/n_и =286,87 кВт
2.3. Электрический расчет печи
2.3.1. Расчет канала
1) Мощность, приходящаяся на один индуктор – 286,9 кВт
Рекомендуемая удельная мощность в канале для алюминия: 3-15 кВт/дм3
Принимаем значение удельной мощности в канале 14 кВт/дм3
Необходимый объем канала:
V_к=P_ка/P_(к.уд) =287/14=20,5 〖дм〗^3
2) Выбор поперечного сечения канала
Толщину Δк и высоту hк вертикальных отрезков канала примем равными 80 мм, а горизонтального участка канала – 80 мм.
Приблизительная длина канала:
l_к≈(V_к∙〖10〗^3)/(h_к Δ_к )=(21∙〖10〗^3)/(8∙8)=328 см
Длина канала достаточно велика, поэтому разделим на 2 канала по 222 см.
Ориентировочно находим по эскизу сечение сердечника, считая его приблизительно равным половине полости индуктора:
Q_c=(21∙29)/2=304 〖см〗^2
Что не больше величины 270-380 см2.
Эскиз индукционной единицы см. Приложение 1.
2.3.2. Расчет ампер-витков индуктора
Каналы печи состоят из прямолинейных участков, поэтому применим формулу:
Iw=2,235∙〖10〗^3∙√(P_ка/((∑▒〖(l_(к.пр)∙F_0пл)/h_(к.пр) +l_вн/h_вн 〗) √ρf)),[ав] Для компенсации вынужденного снижения активной мощности в начале плавки (уменьшение электродинамических сил), печь должна иметь запас мощности, который получим если при вычислении ампер-витков индуктора не будем учитывать активную мощность, выделяющуюся в ванне.
Находим функцию F_0пл:
(2Δ_к)/Δ_э =(2∙8)/3,48=4,7
По рис. 2.3.2 находим F_0пл
F_0пл≈1
Так как число индукторов печи n_и=8, то P_ка=286,9 кВт.
Получаем:
Iw=2,235∙〖10〗^3∙√(P_ка/((∑▒〖(l_(к.пр)∙F_0пл)/h_(к.пр) +l_вн/h_вн 〗) √ρf))=2,235∙〖10〗^3∙√(286,9/(((2∙76∙1)/(2∙8)+(66∙1)/(8∙2)) √(2,4∙〖10〗^(-5)∙50))=) 58560 ав
2.3.3. Вычисление составляющих мощностей
1) Реактивная мощность в каналах:
P_кr=2,0∙〖10〗^(-7)∙(Iw)^2 √ρf (3,1 (d_в G_вцп)/h_ккр C_1+∑▒(l_(к.пр)∙G_0пл)/h_(к.пр) ),[квар] Так как канал состоит только из прямолинейных участков, то первый член в скобках отсутствует. Получаем:
P_кr=2,0∙〖10〗^(-7)∙(Iw)^2 √ρf (∑▒(l_(к.пр)∙G_0пл)/h_(к.пр) )=2,0∙〖10〗^(-7)∙(58560)^2 √(2,4∙〖10〗^(-5)∙50) ((2∙76∙1)/(2∙8)+(66∙1)/(8∙2))=358 ква
2) Мощности, поглощаемые индуктором (потери):
Задаемся радиальной толщиной витка индуктора – 20мм и коэффициентом заполнения каналов k_(з.к)=0,5 ( лежит в пределах 0,35-0,6), k_(з.и)=0,8.
Получаем:
P_иа=2,0∙〖10〗^(-7) (Iw)^2 k_(з.к)/〖h_к k〗_(з.и) ∑▒l_(н.пр) √ρf∙F_0пл=2,0∙〖10〗^(-7)∙(58560)^2∙(0,5∙112)/(2∙8∙0,8) √(2,0∙〖10〗^(-6)∙50)=34 кВт
Соответственно |P_иr |=|P_иa |=34 кВар.
3) Мощности, поглощаемые металлом в ванне:
P_(вн.а)=2,0∙〖10〗^(-7) (Iw)^2 l_вн/h_вн √ρf=2,0∙〖10〗^(-7) (58560)^2 66/26 √(2,4∙〖10〗^(-5)∙50)=69 кВт
Реактивная мощность:
P_(вн.r)=69 кВар
4) Реактивная мощность магнитного потока в зазоре:
P_зr=7,9∙〖10〗^(-11) (Iw)^2 (fQ_з k_(з.к))/h_к =7,9∙〖10〗^(-11) (58560)^2 (50∙3572∙0,5)/(2∙8)=1544 кВар
5) Суммарные мощности:
Активная мощность:
P_0а=P_ка+P_(вн.а)+P_иа=286,9+69+34=489,9 кВт
Реактивная мощность:
P_0r=P_кr+P_(вн.r)+P_иr+P_зr=287+69+34+1544=2242 кВар
Полная мощность:
P_0=√(〖P_0а〗^2+〖P_0r〗^2 )=√(〖489,9〗^2+〖2242〗^2 )=2294,9 ква
2.3.4. Расчет индуктора
1) Ток индуктора:
На вторичной обмотке серийного трансформатора ТМ-1000 напряжение равно 183 В, оно выпрямляется с помощью мостовой неуправляемой схемы. Значение выпрямленного напряжения равно 214 В, на индуктор приходит напряжение 500 В (Более подробно см. Глава 4.)
I=(P_0 〖10〗^3)/U=(814∙〖10〗^3)/500=1626,7А
2) Число витков индуктора:
w=Iw/I=58560/1626,7=36
3) Сечение провода индуктора:
Принимаем плотность тока (при водяном охлаждении лежит в пределах 10-15 а/мм2) δи= 13 а/мм2.
q_и=I/δ_и =1428/36=39 〖мм〗^2
Длина индуктора:
h_и=h_к/k_зк =(2∙80)/0,5=320 мм
Шаг витка индуктора:
τ_в=h_и/w=320/36=7,8мм
Выбираем изоляцию витков индуктора [4]. Материал электроизоляционный пленкосодержащий ИЗОФЛЕКС 191, толщина — 0,15. Изофлекс представляет собой слоистую прессованную композицию из стеклянной ткани, оклеенной с двух сторон полиэфирной пленкой.
Высота витка:
h_в=τ_в-2Δ_из=7,8-2∙0,15=7,5 мм
По сечению витка индуктора выбираем медную трубу специального профиля (см. рис.2.3.4)
Рис.2.3.4 Размеры витка индуктора
Длина индуктора:
h_и=wh_в+(w-1) Δ_из=36∙7,5+40∙0,15=313,5 мм
Действительный коэффициент заполнения каналов:
k_зк=h_к/h_и =(2∙80)/313,5=0,51
Полученный коэффициент почти полностью совпадает с принятым ранее коэффициентом заполнения каналов k_зк=0,5, поэтому нет необходимости вносить поправки в расчет.
2.3.5. Расчет магнитопровода
Размерный эскиз индуктора см. рис.2.3.5.
Рис.2.3.5. Эскиз индуктора
Находим полное сечение сердечника:
Q_с^’=21∙29=609 〖см〗^2
Сердечник изготавливаем из стали толщиной 0,5мм, с лаковой изоляцией, коэффициент заполнения сердечника:
k_зс=0,92
Полезное сечение сердечника:
Q_с=Q_с^’ k_зс=0,92∙609=560 〖см〗^2
Индукция в сердечнике:
B=U/(4,44fQ_с w)=500/(4,44∙50∙560∙41)=0,98∙〖10〗^(-4) вб⁄〖см〗^2
При такой индукции применяют электротехническую сталь Э42. Удельные потери в стали при таком значении индукции и толщине стали 0,5мм равны:
v_0,98=v_1,0 ((1,38∙〖10〗^(-4))/(1,0∙〖10〗^(-4) ))^2=1,40((1,38∙〖10〗^(-4))/(1,0∙〖10〗^(-4) ))^2=2,7 Вт/кг
Значение индукции в ярме примем такой же 0,98∙〖10〗^(-4) вб⁄〖см〗^2 , поэтому полезное сечение ярма будет Q_я=560 〖см〗^2.
Магнитопровод трансформатора см. рис. 2.3.5.1
Рис. 2.3.5.1 Магнитопровод трансформатора
Объем сердечника:
V_с=560∙63=35,3 〖дм〗^2
Объем ярма:
V_я=560∙(2∙109,5+63)=157,9 〖дм〗^2
Вес сердечника:
G_с=7,55∙35,3=266,5 кг
Вес ярма:
G_я=7,55∙157,9=1192 кг
Общий вес магнитопровода:
G_о=G_с+G_я=1458,6 кг
Потери в сердечнике:
P_пс=v_с G_с=2,7∙266,5∙〖10〗^(-3)=0,72 кВт
Потери в ярмах:
P_пя=v_я G_я=2,7∙1192∙〖10〗^(-3)=3,2 кВт
Общие потери в магнитопроводе:
P_пмг=P_пя+P_пс=0,72+3,2=3,9 кВт
2.3.6. Расчет коэффициента мощности
Суммарная активная мощность:
∑▒〖P_а=P_0а+P_пмг=489,9+3,9=512 кВт〗
Полная мощность:
P_0=√((∑▒P_а )^2+〖P_0r〗^2 )=√(〖512〗^2+〖2242〗^2 )=2415 кВт
Находим коэффициент мощности:
cosφ=(∑▒P_а )/P_0 =512/2242=0,2
2.3.7. Расчет электрического КПД
Находим электрический КПД:
η_эл=(P_ка+P_(вн а))/(∑▒P_а )=(286,9+74)/512=0,92
ГЛАВА 3. Расчет охлаждения печи
3.1. Расчет воздушного охлаждения печи
1) Футеровка подового камня печи состоит из шамотной массы.
Примем величину теплопроводности шамота:
ƛ=0,85+0,0006∙θ_(ф.ср)
Температура металла в канале равна температуре перегретого алюминия:
θ_пер=750℃
Температура стенки подового камня, обращенной к индуктору:
θ_(п.в)=200℃
Находим среднюю температуру подового камня:
θ_(ф.ср)=(θ_пер+θ_(п.в))/2=(750+200)/2=475℃
Определим величину теплопроводности:
ƛ=0,85+0,0006∙θ_(ф.ср)=0,85+0,0006∙475=1,135 Вт/(м∙℃)
2) Определим тепловые потери по формуле:
P_пт=ƛδθ∑▒〖〖(h〗_ф l_ф)〗_ср/∆_ф =1,135∙475 0,154/0,01=8302 ккал/ч=9,65 кВт
3) Потери через подовый камень должны удаляться воздушным охлаждением.
Определим часовую производительность вентилятора:
V_вен=k_з (3600∙P_пт)/(c_возд 〖Δθ〗_возд ),м^3⁄ч
Принимаем коэффициент запаса k_з=1,2
Удельная теплоемкость воздуха:
c_возд=1350 Вт/(м^3∙℃)
Разница температур входящего и выходящего воздуха:
〖Δθ〗_возд=40℃
Находим часовую производительность вентилятора:
V_вен=k_з (3600∙P_пт)/(c_возд 〖Δθ〗_возд )=1,2 (3600∙9,65)/(1350∙40)=2,3∙〖10〗^3 м^3⁄ч
Выбираем вентилятор ВО 14-320-4 с производительностью 2,3-3,7 м^3⁄ч, поставляется с двигателем АИР56В4 мощностью 0,18 кВт. Частота вращения 915 рад/мин. Напор вентилятора 53-90 Па На рис.3.1 приведен эскиз вентилятора.
Рис.3.1. Вентилятор ВО 14-320-4
Рис.3.2. Эскиз вентилятора
Диаметр вентилятора D_1=640
Длина прямолинейного участка l2=300мм=0,3м
Диаметр прямолинейного участка 4 d4=358мм=0,358м
Длина прямолинейного участка 4 l4=95мм=0,095м
Потери напора в местных сопротивлениях:
δρ_нап=0,102ξ_мс V_вз^2 γ_вз/2
Потери напора на трение:
δρ_тр=0,102ƛ l_э/d_э V_вз^2 γ_вз/2
Средняя скорость движения воздуха в местном сопротивлении элемента:
V_вз=V_вен/(3600Q_вз )
Значения коэффициентов местного сопротивления и трения см. Таблица 3.
Таблица3. Коэффициенты местного сопротивления и трения.
№ участка Параметр Значение
1 Коэффициент входа ξ_1 0,50
2 Коэффициент трения в воздухопроводе λ_2 0,02
3 Коэффициент плавного сжатия ξ_3 0,30
4 Коэффициент трения в воздухопроводе λ_4 0,02
5 Вход в полость подового камня ξ_5 0,42
6 Коэффициент трения в зазоре подового камня λ_6 0,06
7 Коэффициент выхода ξ_7 1,00
Определим площадь поперечного сечения Q, среднюю скорость движения воздуха V_вз, потери напора 〖δp〗_нап и потери на трение 〖δp〗_тр в местном сопротивлении для каждого участка. Полученные значения для удобства сведем в табл. 3.1.
Таблица3.1. Расчет потерь напора в воздухопроводе.
№ участка Q,м^2
V_вз,м/с
〖δp〗_нап,Па
〖δp〗_тр,Па
1 0,322 1,9 1,15 —
2 0,322 1,19 — 0,21
3 0,113 5,6 24,22 —
4 0,113 5,6 — 0,40
5 0,022 17,1 28,34 —
6 0,022 17,1 — 0,68
7 0,022 17,1 28,34 —
Общая потеря напора:
δp=∑_(i=1)^7▒〖δp〗_i .
δp=∑_(i=1)^7▒〖δp〗_i =1,15+0,21+24,22+0,40+28,34+0,68+28,34=59,12 Па.
По характеристикам вентилятора видим, что вентилятор обеспечивает охлаждение печи.
3.2. Расчет водяного охлаждения печи
Потери, удаляемые охлаждающей водой:
P_пэл=P_иа+P_нс=37+0,72=37,72 кВт=32674 ккал/ч
Температура охлаждающей воды на выходе θ_вых=50℃
Температура охлаждающей воды на входе θ_вх=20℃
Необходимое количество воды:
G_охл=P_пэл/(θ_вых-θ_вх )=32674/(50-20)=1089 л/ч
Проверим какое количество тепла может отвести охлаждающая вода. Находим число Рейнольдса:
Re=(v_в d_(тр.э))/ν_в
Действительная скорость воды в индукторе:
v_в=(G_охл 〖10〗^(-6))/(3,6q_(тр.в) ),м/с
q_(тр.в)=(π〖d_(тр.в)〗^2)/4=(3,14∙〖10〗^2)/4=78,5 〖мм〗^2=7,8∙〖10〗^(-4) м^2
Скорость воды:
v_в=(G_охл 〖10〗^(-6))/(3,6q_(тр.в) )=(1089∙〖10〗^(-6))/(3,6∙7,8∙〖10〗^(-4) )=0,38 м/с
Величина кинематической вязкости для средней температуры воды 35℃ примем7,32∙〖10〗^(-7)м2/с
Критерий Рейнольдса:
Re=(v_в d_(тр.э))/ν_в =(0,38∙0,01)/(7,32∙〖10〗^(-7) )=5191
Что соответствует смешанному движению.
ƛв=0,530ккал/(м∙ч∙℃)
άв=5,4∙〖10〗^(-4) м^2/ч
Так как движение имеет смешанный характер:
ά_т=(Nu) ƛв/d_(тр.э) ,ккал/(м∙ч∙℃)
Критерий Нуссельта:
Nu=K_0 (〖Pr)〗^0,43 (〖〖Pr〗_в/〖Pr〗_и )〗^0,25=12∙〖4,9〗^0,43∙(4,9/3,56)^0,25=107,7
Тогда:
ά_т=(Nu) ƛв/d_(тр.э) =107,7 0,530/0,01=5708 ккал/(м∙ч∙℃)
Количество теплоты, которое может быть отведено от индуктора:
P_отв=ά_т∙F_охл (θ_и-θ_в ) ккал/ч
Поверхность охлаждения:
F_охл=4d_(тр.э) h_и w=4∙0,01∙0,48∙18=0,72 м^2
Тогда:
P_отв=ά_т∙F_охл (θ_и-θ_в )=5708∙0,72∙15=61046 ккал/ч
Что больше действительных потерь.
Проверим потерю напора в индукторе.
Перепад давления воды в индукторе:
δH_и=(ξk_ш (πD_и)/d_(тр.э) +ξ_пов )w (v_в^2)/2g,м
Найдем ξ:
ξ=0,316/((〖Re)〗^0,25 )=0,38
kш примем равным 2,5
Коэффициент сопротивления поворота струи ζ_пов выбирается по критерию Рейнольдса Re и отношению D_(ср.и)/d_тр , ζ_пов=0,095
Тогда:
δH_и=(ξk_ш (πD_и)/d_(тр.э) +ξ_пов )w (v_в^2)/2g=(0,38∙2,5 (3,14∙0,48)/0,01+0,095)19 〖0,35〗^2/(2∙9,8)=67,6 м.вод.ст
Выбираем насос СВР-ХМ78018, рабочее давление 70 бар.
ГЛАВА 4. Выбор электрооборудования
4.1 Выбор конденсаторной батареи
Величина коэффициента мощности составляет 0,2.
Напряжение на индукторе составляет 500 В.
Суммарная реактивная мощность 2242 кВт.
Выбираем конденсатор КЭЭК-0,5-75 У3.
Параметры конденсатора:
U=0,5 кВ
Pr=75 кВар
C=955 мкФ
Конденсаторы удовлетворяют требованиям МЭК 110-1,2. Пропитаны экологически безопасной диэлектрической жидкостью, оснащены внутренними разрядными резисторами и внутренними плавкими предохранителями. Предохранители конденсаторов удовлетворяют требованиям МЭК 110-2.
Емкость конденсаторной батареи:
C=(P_0r∙〖10〗^9)/(2πfU_к^2 )=(2242∙〖10〗^9)/(2∙3,14∙50∙〖530〗^2 )=26757 мкФ
Найдем необходимое число конденсаторов:
n_КБ=1,25∙P_q/P_qКБ ∙(U_КБ^2)/U^2 =1,25 2242/75∙〖500〗^2/〖500〗^2 =40
4.2 Выбор источника питания
В качестве источника питания индукционной канальной печи для плавки алюминия используют транзисторные регуляторы напряжения.
На рис. 4 представлена схема питания ИКП от транзисторного источника питания, подключенного на вторичной стороне нерегулируемого общепромышленного силового трансформатора.
Рис.4. Схема питания ИКП
Выбираем нерегулируемый масляный трансформатор ТМ-1000, мощностью 1000 кВА, напряжение на высшей стороне 6 кВ, напряжение на низшей стороне 183 В.
Выбираем источник питания фирмы EMA Induction Technology на базе IGBT транзисторов CM1300HD-34H, Vces=600 В, Ic=1300 А.
Напряжение на низшей стороне трансформатора составляет 183 В, затем оно поступает на выпрямитель (диоды VD1-VD6), выпрямляется, принимает значение выпрямленного напряжения 214 В и сглаживается LC-фильтром. Напряжение на индукторе формируется транзисторным инвертором (VS1-VS4). Напряжение на индукторе составляет 500 В.
ГЛАВА 5. Энергетический баланс печи
Электрические потери в индукторе:
P_иа=37 кВт
Потери в токоподводах:
P_тп=0,15∙489,9=76,3 кВт
Потери в конденсаторной батарее:
P_(п.кб)=P_q∙tgδ=2242∙0,002=4,62 кВт
Тепловые потери в ванне печи:
P_(п.в)=P_ка∙(1/η_т -1)+P_(п.т)=358∙(1/0,8-1)+9,65=109 кВт
Активная мощность от трансформатора:
P_тр=P_ка+P_иа+P_тп+P_(п.кб)+P_(п.в)+P_(п.мг)=2∙358+37+76,3+4,62+109+3,9=1025 кВт
Потери в трансформаторе:
P_(п.тр)=P_тр∙(1/η_тр -1)=1025∙(1/0,98-1)=20,9 кВт
Потери в преобразователе:
P_пр=P_пр∙(1/η_пр -1)=1004∙(1/0,92-1)=87 кВт
Активная мощность, потребляемая из сети:
P_с=P_тр+P_(п.тр)+P_пр=1025+20,9+89=1135 кВт
Список литературы
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов / Слухоцкий А.Е., Немков В.С. – Л.: Энергоиздат.
А.М. Вайнберг. Индукционные плавильные печи.
Л.И.Иванова, Л.С.Гробова, Б.А.Сокунов – Индукционные канальные печи: учебное пособие / Изд – во УГУТУ – УПИ, 2002.
Металлургия вторичного алюминия: Учебное пособие для вузов / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис – Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН.
https://www.schneider-electric.ru/
www.comterm.ru/
Розанов Ю.К. / Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992.