Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч

 

Министерство образования  и науки Республики Узбекистана

ТашГТУ  Механика машиностроительный факультет

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Пояснительная записка

Тема: Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч

 

 

 

 

Руководитель

 

Доц.Е.Х.Тулаганов___________________________________      

                                                                (подпись)                       (дата)

Студент

Магистрант.Ташбулатов.Ш.Б___________________________________ 

                                                                     (подпись)                       (дата)

 

10М-12___________________________________                              

      (группа)

 

 

 

 

                                                          2012

    Введение                                                                                           

 

1 Описание конструкции  и работы печи                                      

1. Конструкция печи 
2. Футеровка печи                                                 

1.3 Характеристика индукционной печи                                      

2 Расчет печи                                                                                

2.1 Определение размеров  рабочего пространства печи             

2.2 Тепловой расчет печи                                                             

2.3 Электрический расчет  печи                                                    

2.4 Расчет охлаждения  индуктора                                                

2.5 Расчет конденсаторной  батареи                                                       

3   Охрана труда

4   Заключение                                                                                

5 Список использованных источников                                       

 

Введение

Для плавки чугуна на твердой завалке широко применяют  тигельные индукционные печи. Такие  печи удобны в эксплуатации, в них  легко получать различные чугуны, область их применения за последнее  время значительно расширилась.

         В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно  в нагреваемом металле, поэтому  использование тепла оказывается  наиболее полным. С этой точки зрения эти печи — наиболее совершенный  тип электрических печей.

Индукционные  печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических  эффектов, возникающих в кольце металла  вокруг индуктора, удельная мощность канальных  печей ограничивается определенными  пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах. 

Удельная мощность индукционных тигельных печей может быть достаточно высока, а силы, возникающие в  результате взаимодействия магнитных  печей металла и индуктора, оказывают  в этих печах положительное воздействие  на процесс, способствуя перемешиванию  металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта

.

Рисунок 2. Конструкция индукционной печи  а - конструктивное оформление; 1 - индуктор, 2 - крепление витков индуктора, 3 - каркас, 4 - изоляция, 5 - подовая плита, 6 - тигель, 7 - цапфы, 8 - крышка  б - футеровка тигля; 1 - подовая плита, 2 - тигель, 3 - воротник, 4 - сливной желоб, 5 - огнеупорная обмазка

Важным достоинством тигельных  печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Рисунок 3. Схематическое изображение  индукционной канальной печи (а) и  трансформатора (б)

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение  химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток от предыдущей плавки, называемый зумпфом или «болотом») необходима потому, что при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50 % от общей массы металла в печи (емкости печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий. Так, при плавке в печи с массой садки 12 т и зумпфе массой 5 т соблюдается такая последовательность и длительность периодов: загрузка 5 - 6 т шихты (кроме возврата) 15 минут; расплавление 1 час 5 минут; доводка химического состава 40 минут; загрузка возврата (2 т) 10 минут; расплавление возврата 15 минут; доводка по температуре, скачивание шлака 25 минут. В результате получается, что часовая производительность печи составляет около 1/3 от ее массы садки.

         1 Описание конструкции и работы печи

1. Конструкция печи

Индукционный  нагрев — нагрев тел в электромагнитном поле за счёт теплового действия вихревых электрических токов, протекающего по нагреваемому телу и возбуждаемого  в нём благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом  изделии называют индуцированным или  наведённым током. Индукционными установками  называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного  нагрева тел или плавки тех  или иных материалов. Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др. Индукционная тигельная печь (ИТП), которую иначе называют индукционной печью без сердечника, представляет собой плавильный тигель, обычно цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. Металлическая шихта загружается в тигель, и, поглощая электромагнитную энергию, плавится.

Достоинства тигельных плавильных печей:

Выделение энергии  непосредственно в загрузке, без  промежуточных нагревательных элементов;Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;

Принципиальная  возможность создания в печи любой  атмосферы (окислительной, восстановительной  или нейтральной) при любом давлении;

Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким  значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;

Возможность полного слива металла из тигля  и относительно малая масса футеровки  печи, что создаёт условия для  снижения тепловой инерции печи благодаря  уменьшению тепла, аккумулируемого  футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность  быстрого перехода с одной марки  сплава на другую;

Простота  и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие  возможности для механизации  и автоматизации процесса;

Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздуха.

К недостаткам тигельных  печей относятся относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его  технологической обработки. Шлак в  ИТП разогревается от металла, поэтому  его температура всегда ниже, а  также сравнительно низкая стойкость  футеровки при высоких температурах расплава и наличие теплосмен (резких колебаний температуры футеровки  при полном сливе металла). Однако преимущества ИТП перед другими  плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности.

В зависимости от того, идёт ли процесс плавки на воздухе или  в защитной атмосфере, различают  печи:

открытые (плавка на воздухе),

вакуумные (плавка в вакууме),

компрессорные (плавка под избыточным давлением).

 

По организации процесса во времени:

периодического действия

полунепрерывного действия

непрерывного действия

 

По конструкции плавильного  тигля:

с керамическим (футерованным) тиглем,

с проводящим металлическим  тиглем,

с проводящим графитовым тиглем,

с холодным (водоохлаждаемым) металлическим тиглем.

Конструкция индукционной тигельной  печи

 

Конструкция тигельной печи состоит из плавильного  тигля со сливным носком, так называемым «воротником», подины, крышки и слоя тепловой изоляции. Плавильный тигель является одним из самых ответственных  узлов печи, в значительной степени  определяющим её эксплуатационную надежность. Поэтому к тиглю и к используемым футеровочным материалам предъявляются следующие требования:материал тигля должен быть «прозрачен» для электромагнитного поля, нагревающего металл. В противном случае нагреваться будет не расплавляемый металл, а тигель;огнеупорные материалы должны обладать высокой теплостойкостью и огнеупорностью, а также химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;материал тигля должен сохранять изоляционные свойства (то есть иметь минимальную электропроводность) во всем диапазоне температур (1600—1700 °C) для черных металлов);тигель должен иметь минимальную толщину стенки для получения высокого значения электрического коэффициента полезного действия;

тигель должен быть механически прочным в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического воздействия, значительных механических усилий, возникающих при наклонах печи, ударных нагрузках, возникающих при загрузке и осаждении шихты и чистке тигля;материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в тигле в условиях высокого значения градиента температур в стенке (до 30 тыс. °C/м) и для снижения термических напряжений в тигле;

технология  конструкции и изготовления футеровки  и тепловой изоляции печи должны обеспечивать условия для осуществления в  течение всей кампании печи неспекшегося (буферного) наружного слоя, прилегающего к индуктору, и исключающего образование сквозных трещин и проникновение расплава к виткам индуктора.

 В настоящее время  в практике изготовления ИТП  используют следующие методы:

Набивку по шаблону  непосредственно в печи, когда  сваренный из листовой стали шаблон по форме внутренней поверхности  тигля устанавливают на подине точно на оси печи, порошкообразные огнеупорные массы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном, и послойно трамбуют пневматической или электрической трамбовкой.

Изготовление  футеровки внепечным методом: тигли  прессуют, трамбуют или формуют в  специальных разборных пресс-формах, затем тигли устанавливают в  индуктор печи и засыпают боковое  пространство порошкообразным огнеупорным  материалом, что предупреждает прорыв жидкого металла к индуктору  через сквозные трещины, которые  могут образоваться в предварительно обожженных тиглях. Смену футеровки  при таком методе можно осуществить  быстрее, что сокращает время  простоя печи.

Выполнение  футеровки из фасонных огнеупорных  изделий. Толщина изделий (кольца, блоки, секционные шпунтовые изделия, стандартные  кирпичи клиновидной формы) должна быть такой, чтобы при кладке не образовалось пространство (кольцевой зазор) размером 25—30 мм между наружной стенкой кладки и витками индуктора для создания буферного слоя из порошкообразных  материалов.

Прослойную наварку футеровки путем торкретирования или плазменным напылением контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку. Метод напыления позволяет выполнить химически чистую и высокоогнеупорную контактную поверхность футеровки, в соответствии с требованиями к выплавляемым сплавам.

Для ИТП применяют  кислую, основную и нейтральную футеровку, состав которых очень разнообразен. Это позволяет для данного технологического процесса плавки подобрать соответствующие футеровочные материалы, рецептуру огнеупорных масс и технологию изготовления в соответствии с ранее перечисленными требованиями. Кислую футеровку изготовляют из кремнезёмистых огнеупорных материалов (кварцевого песка, кварцита, молотого динасового кирпича) с содержанием окиси кремния не менее 93—98 %. В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфитно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1—1,5 % раствор борной кислоты. Зерновой состав огнеупорной массы: 5 % зёрен 3—2 мм, 50 % зёрен 2—0,5 мм, 45 % зёрен < 0,5 мм. Кислая футеровка выдерживает 80-100 плавок. Основную футеровку изготовляют из магнезитовых огнеупоров в предварительно спечённом или сплавленном состоянии, то есть обладающих наибольшим постоянством объёма. Для уменьшения усадки при высоких температурах (1500—1600 °C) и обеспечения некоторого роста при средних (1150—1400 °C), что предотвращает образование усадочных трещин, применяют такие минерализаторы, как храновая руда, кварцевых песок или кварциты. В качестве связующих используют глину (до 3 % от массы магнезита) с увлажнением её водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12 %). Лучшей огнеупорной массой по зерновому составу считают: 50 % зёрен 6—0,5 мм, 15 % зёрен 0,5—0,18 мм, 35 % зёрен < 0,18 мм. Данные о продолжительности службы основной футеровки крайне противоречивые и колеблются для тиглей разной ёмкости. Следует отметить, что стойкость основной футеровки ниже стойкости кислой, причём существует ещё и недостаток: образование трещин. Нейтральная футеровка характеризуется большим содержанием амфотерных окислов (Al2O3, ZnO2, Cr2O3). Она во многих случаях обладает более высокими огнеупорными характеристиками, чем кислая или основная, и даёт возможность выплавлять в ИТП жаропрочные сплавы и тугоплавкие металлы. В настоящее время нейтральную футеровку изготовляют из магнезитохромитовых[1] огнеупоров, электрокорунда, двуокиси циркония и циркона (ортосиликат циркония ZrSiO4). Возможно также изготовление тиглей нейтрального состава из некоторых тугоплавких соединений (нитридов, карбидов, силицидов, боридов, сульфидов), которые могут быть перспективными для плавки небольших количеств химически чистых тугоплавких металлов в вакууме и в восстановительных или нейтральных средах. Плавку в тиглях большой ёмкости, которая бы оправдала применение таких дорогостоящих футеровочных материалов, пока не применяют.