Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
3.3.1 Расчет и проектирование индукционных канальных печей Существуют два основных метода расчета индукционных канальных печей. Один из них основан на теории поглощения электромагнитных волн в металле. Этот метод предложен А.М.Вайнбергом и изложен в монографии «Индукционные канальные печи» [2]. Второй метод основан на теории трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Одними из авторов этого метода являются С.А.Фардман и И.Ф.Колобнев [3]. Этот метод нашел широкое применение как инженерный метод расчета индукционных канальных печей [6, 7, 17]. В данной главе приводятся последовательность инженерного электрического расчета с элементами расчета по [3] индукционно- канальной печи и примеры расчета по отдельным этапам. Схема инженерного расчета индукционной канальной печи приведена ниже. Как правило, в качестве исходных данных для расчета принимаются [3]: характеристики расплавляемого металла или сплава: • температура плавления и разливки; • плотность в твердом и расплавленном состоянии; • теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки (зависимость энтальпии от температуры показана на рис. 3.30) или теплоемкость и скрытая теплота плавления; • удельное сопротивление в твердом и расплавленном состоянии (зависимость удельного сопротивления от температуры показана на рис. 3.31); с с р Рис. 3.30. Энтальпия различных металлов Рис. 3.31. Зависимость удельного электрического сопротивления 201 некоторых металлов от температуры - характеристики печи: • назначение печи; • емкость печи; • производительность печи; • длительность плавки и длительность загрузки и разливки; - характеристики питающей сети: • частота питающей сети; • напряжение сети или напряжение вторичной обмотки электропечного трансформатора, питающего печь. 3.3.1.1 Определение емкости печи Полная емкость печи G состоит из полезной (сливаемой) емкости п G и остаточной емкости (емкости болота) б G [3] G = п G + б G , кг. Принцип действия канальной печи требует наличия постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей обычно 20 – 50 % полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Остаточная емкость (емкость болота) G k G б б = , кг, где б k - коэффициент, учитывающий остаточную емкость (массу болота). Этот коэффициент принимают равным 0,2 – 0,5; причем меньшие значения - для печей емкостью более 1 тонны, а большие - для печей емкостью менее 1 тонны. Полезная емкость (сливаемая емкость) п 3 п п m 10 A G ⋅ = , кг, где п A - суточная производительность печи в тоннах (т/сутки); п m - число плавок в сутки. 202 Число плавок в сутки 2 1 п 24 m τ τ + = , где 1 τ - длительность плавки и подогрева жидкого металла в часах, 2 τ - длительность разливки, загрузки, чистки и т.д. в часах. Следует отметить, что значение величины производительности весьма относительно. В справочной литературе значения производительности даются ориентировочно [4, 5, 8]. Длительность плавки и подогрева жидкого металла ( 1 τ ) зависит от физических свойств (теплоемкости и скрытой теплоты плавления) расплавляемых металлов и сплавов. Повышение производительности связано с уменьшением величины 1 τ , что ведет к повышению подводимой к печи мощности, и влияет на конструкцию печи, т.е. вместо однофазной печи необходимо будет разрабатывать трехфазную печь, вместо одной индукционной единицы необходимо будет использовать несколько индукционных единиц и т.д. С другой стороны, увеличение 1 τ может нарушить технологический процесс плавки металла или сплава, например, легирующие добавки могут испариться до процесса разливки. В зависимости от вида загружаемой шихты, скорости отливки, размера сечения отливаемого слитка и т.д. величина 2 τ также может изменяться в довольно широком диапазоне. Поэтому при проведении расчетов необходимо величину производительности оценивать с учетом как технологии плавки металлов или сплавов, так и конструктивных особенностей разрабатываемой печи. Если задана полезная емкость печи, то полная емкость определяется по выражению ( ) б k 1 G G п − = , кг. 3.3.1.2 Объем ванны печи, заполняемый жидким металлом (сливаемым) Объем ванны печи мж вп G V γ = , 3 м , где мж γ - плотность металла в жидком состоянии, 3 м кг 203 Сечение ванны печи вп S определяется после расчета канала печи. Высота ванны печи вп h определяется по выражению вп вп вп S V h = , м. 3.3.1.3 Выбор формы ванны печи По форме ванны различают четыре основных класса канальных печей: Шахтного типа – плавильная камера выполнена в виде вертикального цилиндра (рис. 3.3, а), т.е. шахтная печь имеет ванну в форме цилиндрической шахты с вертикальной осью. Преимущества: простота ремонта и замены футеровки ванны и удобство механизированной загрузки печи. Барабанного типа – плавильная камера выполнена в виде горизонтального цилиндра, т.е. ванна барабанной печи выполнена в виде цилиндра с горизонтальной осью. Индукционные единицы располагаются по обе стороны барабана. Может использоваться в качестве электромиксера или копильника жидкого металла для подогрева и выравнивания его температуры перед разливкой, когда объем отливки больше емкости плавильной печи, допускающих одновременно заливку и разливку металла (рис. 3, б); Ванна может наклоняться в обе стороны вокруг горизонтальной оси. Можно менять индукционные единицы без полного слива металла. Двухкамерного типа – 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, в). Печи с прямоугольной ванной – такая конструкция применяется редко: при стационарной ванне, когда печь не должна опрокидываться, а жидкий металл, такой как цинк, может быть легко вычерпан из печи или же выкачан, если форма ванны определяется технологическими соображениями (рис. 3.32, г). Различаются печи с вертикальными, горизонтальными и наклонными каналами. Печи с вертикальными каналами широко распространены. Перемешивание в них происходит интенсивно, производить чистку каналов несложно. Недостатком конструкции, особенно при достаточной глубине ванны, является большое гидростатическое давление в канале, ухудшающее условия работы подового камня. 204 Печи с горизонтальными каналами характеризуются малым гидростатическим давлением в канале, циркуляция металла в верхней части ванны ослаблена. Очистка каналов в таких печах затруднена. а б в г Рис. 3.32. Основные типы конструкций индукционных канальных печей: а - шахтная; б – барабанная; в – двухкамерная; г – с ванной прямоугольной формы Печи с наклонными каналами можно рассматривать как компромиссную конструкцию, сочетающую качества печей с вертикальными и горизонтальными каналами. На рис. 3.33 [20] представлены конструктивные варианты исполнения каналов индукционных канальных печей. Для плавки меди и ее сплавов при загрузке до 3 тонн применяют шахтные печи, а при загрузке более 3 тонн – барабанные печи и миксеры, их максимальная емкость достигает 35 тонн. Для плавки цинка, как правило, используют печи с прямоугольной ванной небольшой глубины, индукционные единицы которых имеют 205 горизонтальные каналы. Ванна разделяется на плавильную и разливочную камеры внутренней перегородкой. Для плавки алюминия используются печи, как с вертикальными каналами, так и с горизонтальными каналами. Емкость печей от 0,2 до 40 тонн. Для плавки чугуна применяются шахтные печи емкостью до 16 тонн. Печи большей емкости бывают шахтные, но чаще барабанного типа. В основном находят применение индукционные канальные печи в качестве миксеров, емкость которых лежит в пределах от 0,5 до 250 тонн. а б в г д Рис. 3.33. Конструктивные варианты типов каналов индукционных канальных печей: а – один вертикальный канал; б – вертикальный сдвоенный канал; в – горизонтальный канал; г – наклонный канал; д – открытый канал 3.3.1.4 Определение мощности печи На рис. 3.34 представлена в общем виде энергетическая диаграмма электротермической печи. 206 Для оценки полезной мощности необходимо знать количество тепловой энергии, достаточной для осуществления технологического процесса плавки металла или сплава. Расчет тепловой энергии с использованием теплоемкости С и скрытой теплоты плавления λ представлен в виде трех составляющих на блок-схеме, приведенной ниже. Рис. 3.34. Энергетическая диаграмма электротермической печи 207 Полезная активная мощность печи может быть определена через теплосодержание [7] 1 пол 6 3 Q P τ , = ⇒ ( ) 1 1 2 п пол 6 , 3 q q G P τ − = , Вт, где Q - количество тепловой энергии, необходимой для расплавления металла или сплава; n G - полезная емкость печи, т; 1 q и 2 q - начальное и конечное удельное теплосодержание металла, кг Дж 2 ; 1 τ - длительность плавки и подогрева жидкого металла, ч. Подводимая к печи активная мощность и и . т в . т пол п P P P P P Δ + Δ + Δ + = , Вт, п пол п P P η = , Вт, где в т Р Δ - тепловые потери ванны печи, и . т Р Δ - тепловые потери индукционных единиц, и Р Δ - тепловые потери в меди индуктора, п η - общий коэффициент полезного действия (КПД) печи. Общий КПД печи п пол т э п Р Р = = η η η , где э η - электрический КПД печи, т η - тепловой КПД печи. 2 По [16] теплосодержание – количество тепловой энергии, содержащейся в теле при определенной температуре. Удельное теплосодержание – количество тепловой энергии, отнесенное к единице массы тела. Единица измерения в системе «СИ» - кг Дж , в практических расчетах кг ч Вт ⋅ По [14] 1Дж = 4 10 78 , 2 − ⋅ Вт·ч; т ч Вт т Дж ⋅ = ⋅ = − − 597 , 3 1 10 10 78 , 2 3 4 208 На начальном этапе в предварительном расчете значением п η обычно задаются в пределах 0,6 ÷ 0,9 в зависимости от емкости, мощности и назначения печи по известным из практики данным (табл. 3) [3]. Более высокие значения КПД относятся к печам большей емкости. Таблица 3.3 Ориентировочные значения коэффициента полезного действия индукционных канальных печей Расплавляем ый металл Мед ь Томпак (90%Сu +10%Zn ) Латунь (67,5%Сu +32,5%Zn ) Бронза (93%С u+3%Z n + 4%Sn) Алюми ний Цинк Чугун Общий КПД печи 0,60 – 0,72 0,75 – 0,85 0,75 – 0,90 0,70 – 0,80 0,60 – 0,85 0,80 – 0,90 0,80 – 0,86 Величину подводимой к печи активной мощности также можно определить через энтальпию по выражению [6] n 1 p n n c G P η τ = , Вт, где n G - полезная емкость печи, кг; p c 3 - энтальпия металла или сплава при температуре разливки, Вт·ч/кг. Если величина теплосодержания (энтальпия) не известна, то подводимая к печи мощность определяется в соответствии с блок-схемой по выражению [3] 1 п т п 864 Q P τ η = , кВт, где т Q - тепло, теоретически необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки G кг сплава, [ккал]. 3 Энтальпия – тепловая функция, теплосодержание [3, 6, 11, 16] 209 В свою очередь величина т Q определяется по выражению 3 2 1 т Q Q Q Q + + = , ккал, где 1 Q - тепло, необходимое для нагрева сплава массой G кг при теплоемкости 1 С от начальной температуры н t до температуры плавления п t , ккал; 2 Q - тепло, необходимое для перевода сплава массой G кг при п t в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления λ , ккал; 3 Q - тепло, необходимое для доведения сплава массой G кг при теплоемкости 2 С от температуры плавления п t до температуры разливки p t , ккал. ( ) н п 1 1 t t GC Q − = , λ G Q 2 = , ( ) п p 2 3 t t GC Q − = Опыт расчетов показывает, что значения подводимой к печи активной мощности, рассчитанные по выражениям (8, 10, 12, 13), имеют расхождения. Полная мощность печи ϕ = cos п п P S , В·А, где ϕ cos - коэффициент мощности индукционной канальной печи. При предварительном расчете коэффициентом мощности печи обычно задаются в зависимости от расплавляемого металла или сплава, для которого предназначена печь. В табл. 3.5 приведены ориентировочные значения, подтвержденные практикой эксплуатации, коэффициентов мощности индукционных канальных печей по [3, 7] без компенсации реактивной мощности, предназначенных для плавки некоторых металлов и сплавов. Активная мощность одной индукционной единицы n P P n = , Вт, где n – число индукционных единиц (индукционной единицей называется система, состоящая из печного трансформатора и подового камня с каналами). 210 Число индукционных единиц выбирают, исходя из мощности печи с учетом условий их размещения при принятой конструкции ванны. Мощность однофазной единицы может достигать от 50 до 1000 кВт, но во избежание несимметрии напряжений питающей сети уже при мощности печи 250 – 300 кВт рекомендуется [3, 7] переходить к двухфазным или трехфазным единицам либо применять несколько однофазных единиц. Полная мощность одной индукционной единицы ϕ = cos P S , В·А. 3.3.2 Расчет и проектирование индукционной тигельной печи Вопросы проектирования ИТП широко раскрыты многими авторами, однако предложенные методики расчета все же отличаются друг от друга, в них даются различные рекомендации по выбору тех или иных параметров печи. Поэтому предложенные методики имеет смысл обобщить, выработать общие рекомендации по проектированию ИТП и сопутствующих устройств (шинопроводов, батарей конденсаторов, систем охлаждения). В техническом задании на проектирование плавильной установки с индукционной тигельной печью содержатся следующие данные: 1. О расплавляемом металле или сплаве: а) наименование, б) марка, в) состав, г) плотность в твердом и жидком состояниях, насыпная плотность, д) температуры плавления и разливки, е) теплосодержание (энтальпия) или теплоемкость в зависимости от температуры, ж) удельное сопротивление в зависимости от температуры, з) гранулометрический состав шихты (средний размер кусков). 2. Требуемая производительность или требуемое время цикла плавки и режим плавки (с несливаемым остатком или "болотом" или полным сливом перед каждой новой загрузкой). 3. Параметры питающей сети: а) напряжение, б) ограничение по мощности, в) ограничение по частоте. Последние данные необходимы для выбора напряжения двигателя и способа его запуска при питании от машинного преобразователя частоты или выбора первичного напряжения входного силового трансформатора при питании печи от других источников, а также для решения вопроса о применении симметрирующего устройства для печей частоты 50 Гц. 211 Кроме вышеперечисленных исходных данных, при проектировании может быть дано ограничение на габаритные размеры плавильного комплекса, если проектирование ведется для конкретного предприятия и для конкретного технологического участка, имеющего конечные размеры. Задачами проектирования являются выбор оптимальной конструкции печи, определение ее размеров, электрических параметров и технико- экономических показателей, разработка системы охлаждения и механизмов печи, а также подбор комплектующего оборудования: источника питания, компенсирующей конденсаторной батареи, коммутирующей и измерительной аппаратуры, устройств автоматики, гидравлических или электрических приводов механизмов печи и т. д. Индукционная тигельная печь является совокупностью ряда систем, каждая из которых требует расчета: 1) тепловой системы, в которой наряду с полезным теплом имеются тепловые потери различных видов, требующие отвода без перегрева конструкций; 2) электромагнитной системы, предназначенной для эффективной передачи энергии в загрузку и преобразования ее в тепловую; 3) механической системы, детали и узлы которой испытывают нагрузки и должны проверяться на прочность; 4) гидравлической системы, которая должна обеспечить расчетный расход воды для охлаждения индуктора, а иногда и других элементов конструкции печи при питании, как правило, от источника технической воды с определенными параметрами, входящего в замкнутую схему оборотного водоснабжения. Методика расчета механических систем не является специфической для индукционных тигельных печей. Поэтому ниже изложены лишь вопросы, относящиеся к определению параметров остальных систем тигельной печи. Часто при проектировании в расчетах отталкиваются от уже имеющихся в наличии систем плавильного комплекса. Например, имеется готовый преобразователь частоты, который планируется использовать для питания печи, известны его мощность, напряжение и частота; требуется спроектировать печь требуемой производительности или требуемой емкости. Или, наоборот, имеется печь с известными габаритами и к ней необходимо подобрать преобразователь частоты с учетом обеспечения режима плавки, т.е. технологических условий дальнейшей работы печи. Пути, по которым следует пойти проектировщику, разнообразны и зависят от исходных данных. Очевидно, что в рамках данного пособия трудно раскрыть каждый из путей, так как вариантов комплекта исходных данных может быть достаточно много. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них: 212 1. Известны параметры технологического процесса. Требуется спроектировать печь и выбрать преобразователь частоты или симметрирующее устройство. 2. Известны параметры имеющегося в наличии преобразователя, а также параметры технологического процесса. Требуется спроектировать печь. Внутри этих вариантов при раскрытии словосочетания "параметры технологического цикла" могут быть подварианты. Например, в одном случае следует спроектировать печь для работы в практически непрерывном производстве. Остановки печи производятся лишь для ремонта футеровки. В этом случае печь, очевидно, будет работать с "болотом", питаясь от источника промышленной частоты, так как такой режим обеспечит максимальную производительность. В другом случае, печь включают относительно редко. Тогда печь всегда работает с кусковой загрузкой, в начале плавки холодной, и поэтому при проектировании необходимо рассчитать печь таким образом, чтобы она имела максимальную мощность при наложенных на расчет ограничениях. В этом случае такой параметр, как максимальная производительность печи, отходит на второй план, поскольку печь за весь период эксплуатации в таком режиме никогда ее не достигнет. Итак, в большинстве случаев проектирование индукционной тигельной печи можно разбить на следующие этапы: 1. Определение основных геометрических размеров печи. 2. Тепловой расчет печи и определение энергетических параметров печи. 3. Электрический расчет печи. 4. Расчет сопутствующих устройств плавильного комплекса (расчет и выбор батареи компенсирующих конденсаторов колебательного контура печи, расчет жестких стационарных и гибких шинопроводов, гидравлический и теплотехнический расчет системы охлаждения печи). |