Название: Электротехнологические установки и системы - Методические указания (Л.Н. Ветчакова)

Жанр: Технические

Просмотров: 1123


2. основные  технические  требования к  конструкции  установки

2.1. Нормативные документы

Разрабатываемая конструкция установки индукционного нагрева должна обеспечивать выполнение электротермического процесса с заданными параметрами и отвечать требованиям действующих государственных стандартов:

ГОСТ 16382-87    - Оборудование электротермическое.

                                Термины и определения.

     ГОСТ 10487-63               - Печи индукционные плавильные.

                                     Ряд номинальных емкостей.

     ГОСТ 16323-70               - Печи индукционные плавильные.

                                     Общие технические  условия.

2.2. Особенности режима работы

индукционных канальных печей

Индукционные канальные печи применяют для плавки цветных металлов (сплавов на медной основе, цинка, алюминия), чугуна и в качестве миксеров и раздаточных агрегатов для этих же металлов. Канальные печи работают в непрерывном режиме. При перерывах в работе печи обязательно должен быть остаток расплавленного металла, заполняющего плавильные каналы. Канальные печи не рекомендуется применять при использовании загрязненной вторичной шихты, стружки, особенно при выплавке алюминиевых сплавов, а также всевозможных лигатур и сплавов на медной основе, содержащих свинец и олово, так как при этом резко снижается срок службы футеровки.

2.3. Состав установки индукционной канальной печи

Установка индукционной канальной печи включает собственно электропечь и комплект оборудования, необходимого для ее работы.

Индукционная канальная электропечь (рис. 2.1) состоит из футерованной ванны, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла, и одной или нескольких индукционных единиц, находящихся под ванной. Индукционная единица включает подовый камень, магнитопровод и индуктор. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом и окружающим его каналом, устья которого открываются в ванну. Один стержень магнитопровода располагается в проеме, а ярмо и другие стержни охватывают подовый камень с боков. Индуктор является первичной обмоткой своеобразного трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал.

 

Рис. 2.1. Устройство индукционной канальной печи:

1 – магнитопровод; 2 – футеровка ванны печи; 3 – расплавленный металл;

4 – индуктор; 5 – канал; 6  – подовый камень; 7 – проем подового камня.

 

Для печей небольшой емкости применяются однофазные индукционные единицы, устьям которых придают обтекаемую округлую форму, обеспечивающую минимальное гидравлическое сопротивление (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Конструкция индукционной единицы:

 а  –  однофазная; б – сдвоенная (двухфазная);

1  –   каркас; 2  –  футеровка  подового  камня;  3  –-  канал; 4  –   магнитопровод; 5 – индуктор

 

В печах большой мощности применяются двухфазные (сдвоенные) (рис. 2.2, б) трехфазные (рис. 2.3.) индукционные единицы или несколько однофазных индукционных единиц.

 

Рис. 2.3. Трехфазная индукционная канальная печь:

1 – индукционная единица; 2 – футерованная ванна; 3 – индуктор; 4 – магнитопровод;

5 – канал; 6 – короткая сеть; 7 – механизм наклона печи; 8 – вентиляционная установка;

9 – сливной носок; 10 – ось вращения электропечи

Подовый камень канальной печи изнашивается значительно быстрее, чем футеровка ванны. Для сокращения простоев, связанных со сменой подового камня, разработаны съемные индукционные единицы.

При большом разнообразии типов индукционных канальных печей основные конструктивные узлы являются общими для них. Это: футеровка, корпус, крышка, вентиляционная установка, механизм наклона, индукционные единицы. В состав индукционной единицы печи входит трансформатор печи, включающий замкнутый магнитопровод, охватывающий обмотку индуктора. Трансформатор печи следует отличать от электропечного трансформатора, который является  источником электропитания печи.

2.3.1. Футеровка

Подовый камень и футеровка ванны выполняются из различных огнеупорных материалов в зависимости от назначения печи. В печах для плавки медных сплавов применяются футеровки на основе высокоглиноземистого шамота или кварцита; для плавки алюминия – на основе шамота, кварцита и огнеупорной глины; для плавки цинка – на основе каолинового шамота и огнеупорной глины; для плавки черных металлов – на основе корунда. В качестве связующих используются обычно спекающиеся материалы (борная кислота и др.). Подовые камни всегда изготовляются из набивных масс, ванна часто футеруется огнеупорным кирпичом. Толщина футеровки ванны выбирается из условий обеспечения высокого термического КПД печи и долговечности. Конструкции футеровок ванн печи и подового камня приведены в [2].

Подовый камень является наиболее ответственной деталью печи, поскольку в течение эксплуатационной кампании он недоступен для осмотров и ремонта, условия же его работы чрезвычайно тяжелые. Толщина стенки подового камня, отделяющей канал от проема, в котором находится индуктор, составляет лишь 5…12 см, так как при ее увеличении возрастает магнитное поле рассеяния и снижается коэффициент мощности и КПД печи. Температура металла в канале при плавке чугуна достигает 1650 °С, температура же стенки проема не должна превышать 200 °С. Поэтому градиент температуры в стенке подового камня составляет 150…250 °С/см. Кроме того, стенки канала находятся под большим гидростатическим давлением столба металла и подвергаются, особенно вблизи устьев, размывающему действию циркулирующего металла.

Этими условиями определяются требования к футеровке подового камня: большая механическая прочность при рабочей температуре, минимальный коэффициент линейного расширения, стойкость против размывания интенсивно циркулирующим металлом, химическая стойкость по отношению к расплавленному металлу и его окислам, хорошие электроизоляционные свойства при высоких температурах. Соответствие этим требованиям достигается точным соблюдением заданной рецептуры футеровочной массы, ее гранулометрического состава и технологии набивки, сушки и разогрева подовых камней.

Подовые камни съемных индукционных единиц формуются вне печи. Для уплотнения плоскости разъема съемных единиц применяются миканитовые прокладки, покрытые огнеупорной обмазкой.

Съемные индукционные единицы применяются на крупных печах. Использование их на печах малой емкости нецелесообразно, так как основной выигрыш при их применении получается за счет смены изношенных подовых камней без слива металла; на печах небольшой емкости с малой тепловой инерцией это невозможно ввиду быстрого остывания металла в ванне до температуры затвердевания.

2.3.2. Трансформатор печи

Печь с индукционной единицей, показанной на рис. 2.1. имеет однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом (рис. 2.2, а). Широко применяются также трансформаторы со стержневыми магнитопроводами. Схемы включения индукционных электропечей подробно описаны в [3, 4].

Печь со сдвоенной индукционной единицей (рис. 2.2, б) представляет собой двухфазную нагрузку, так же как и печь с двумя отдельными однофазными индукционными единицами. Индукторы в двухфазной системе подключаются к трехфазной сети по схеме открытого треугольника, если это не вызывает недопустимой несимметрии напряжений, или по схеме Скотта, обеспечивающей равномерную загрузку трех фаз. Кроме этого, возможны другие схемы построения симметрирующего устройства. Конструктивно сдвоенная индукционная единица состоит из двух трансформаторов стержневого типа.

Магнитопровод трансформатора печи изготовляется из листовой электротехнической стали, ярмо выполняется съемным в связи с необходимостью регулярной сборки и разборки. Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора  квадратная или прямоугольная, а при значительной мощности  крестообразная или ступенчатая.

Индуктор печи обеспечивает создание электромагнитного поля необходимой интенсивности в зоне расположения загрузки и воспринимает без деформации механическую и тепловую нагрузки.

Индуктор канальной печи имеет принудительное воздушное или водяное охлаждение. При воздушном охлаждении индуктор изготовляется из медного обмоточного провода прямоугольного сечения, средняя плотность тока составляет 2,5…4 А/мм2. При водяном охлаждении индуктор изготовляется из медной трубки. Средняя плотность тока достигает 15 А/мм2.

Для обеспечения минимальных электрических потерь в индукторе его изготавливают из меди с толщиной индуктирующего витка, обращенного к расплаву, больше или равной 1,3D1. Эти условия удовлетворяются при выполнении индуктора из медных полых трубок круглого или специального профиля (рис. 2.4). Геометрические параметры стандартных трубок индуктора приведены в таблицах 2.1, 2.2.

Рис. 2.4. Медные профили, применяемые при изготовлении индукторов

 

Индуктор, как правило, выполняется однослойным, в редких случаях  двухслойным. Последний значительно сложнее конструктивно.

Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует стандартному напряжению сети (220, 380 или 500 В). Витковое напряжение при малой мощности индукционной единицы составляет 7÷10 В, а при большой мощности оно возрастает до 13÷20 В. Форма витков индуктора обычно круговая, лишь у печей для плавки алюминия, каналы которых состоят из прямолинейных отрезков, а сердечник всегда имеет прямоугольное сечение, витки индуктора также делаются прямоугольными. Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая гильза, закрепленная деревянными клиньями.

Таблица 2.1

Стандартные медные профилированные трубки

Поперечное сечение

A, мм

B, мм

C, мм

D, мм

E, мм

r, мм

16

22

10

8

 

 

18

24

10

20

26

12

22

28

14

24

30

16

26

32

18

28

34

20

30

36

22

32

38

24

34

40

26

36

42

28

38

50

11

22

31

7

40

45

7

26

31

7

42

50

11

24

30

7

50

50

11

28

28

8

54

50

11

32

28

10

62

50

11

40

28

10

62

60

11

46

41

8

70

50

8

54

34

8

Таблица 2.2

Стандартная медная прямоугольная равностенная трубка

Поперечное сечение

A, мм

B, мм

S, мм

Радиус закругления r = 4∙10-3 м,

длина трубки не менее 30 м

16

12

2,0

16

15

2,5

18

16

2,5

20

15

2,5; 4

22

15

2,5; 4

25

15

2,5; 4

25

20

3; 4

28

20

3; 4

32

20

3; 4

35

25

3; 4

40

30; 40

3; 4

45

30; 40

3; 4; 5

45

40; 30

3; 4; 5

50

30; 40

4; 6

55

40

4; 6

58

30

4

60

40

4; 6

70

50

8

 

2.3.3. Корпус печи

Обычно корпус печи состоит из каркаса, кожуха ванны и кожуха индукционной единицы. Кожух ванны у печей малой емкости, а у барабанных печей также и значительной емкости может быть выполнен достаточно прочным и жестким, что позволяет отказаться от каркаса. Конструкции и крепления корпуса должны быть рассчитаны на нагрузки, возникающие при наклоне печи, чтобы обеспечивать необходимую жесткость в наклоненном положении.

Каркас изготавливается из стальных фасонных балок. Цапфы оси наклона опираются на подшипники, смонтированные на опорах, установленных на фундаменте. Кожух ванны изготовляется из листовой стали толщиной 6÷15 мм и снабжается ребрами жесткости.

Кожух индукционной единицы служит для соединения подового камня и трансформатора печи в единый конструктивный элемент. Двухкамерные печи не имеют отдельного кожуха индукционной единицы, он составляет у них одно целое с кожухом ванны. Кожух индукционной единицы охватывает индуктор, поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи он делается составным из двух половин с изолирующей прокладкой между ними. Стяжка производится болтами, снабженными изолирующими втулками и шайбами. Таким же образом кожух индукционной единицы крепится к кожуху ванны.

Кожухи индукционных единиц выполняются сварными, часто они имеют ребра жесткости. В качестве материала кожухов предпочтительно использовать немагнитные металлы.

2.3.4. 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. Современные съемные индукционные единицы имеют не только водоохлаждаемые индукторы, но также водяное охлаждение кожухов и проемов. В проеме размещается разрезная рубашка водяного охлаждения, прилегающая к поверхности проема, но не образующая замкнутого витка. Однако и такие индукционные единицы имеют дополнительное воздушное охлаждение. Таким образом, вентиляционная установка является обязательным элементом оборудования канальной печи.

Вентиляторы с приводными двигателями часто устанавливаются на каркасе печи. При этом вентилятор соединяется с коробом, распределяющим воздух по вентилируемым проемам, коротким жестким воздуховодом. Масса вентиляционной установки может быть значительной, что приводит к существенному увеличению нагрузки на механизм наклона печи. Поэтому применяется и другая компоновка, при которой вентиляторы устанавливаются рядом с печью и соединяются с нею гибкими рукавами, обеспечивающими возможность наклона. Вместо гибких рукавов может использоваться воздуховод, состоящий из двух жестких участков, сочленяющихся с помощью поворотного стыка на продолжении оси наклона, что также позволяет осуществлять наклон печи. При такой компоновке уменьшается нагрузка на механизм наклона, но усложняется конструкция воздуховодов и загромождается пространство вокруг печи.

Печи со съемными индукционными единицами оборудуются индивидуальными вентиляторами для охлаждения каждой единицы.

Выход из строя вентилятора может привести к аварии печи. Поэтому вентиляционная установка должна иметь резервный вентилятор, готовый к немедленному включению и отделенный от воздуховода задвижкой. Исключение составляют печи с индивидуальными вентиляторами на индукционных единицах. Индивидуальные  вентиляторы имеют небольшие габариты и массу и в случае выхода из строя могут быть очень быстро заменены, поэтому устанавливать резервные вентиляторы на печь не требуется.

2.3.5. Механизм наклона

Канальные печи малой емкости (до 150…200 кг) снабжаются обычно механизмом наклона с ручным приводом, ось наклона их часто проходит вблизи центра тяжести печи.

Крупные печи оборудуются механизмом наклона с гидравлическим приводом. Механизм состоит из маслонапорной установки и двух гидравлических цилиндров с плунжерами. Ось наклона располагается у сливного носка.

Наклон барабанных печей осуществляется путем поворота вокруг оси, параллельной продольной оси ванны. На торцах кожуха ванны закреплены опорные диски, установленные на катках. Летка расположена на торцевой стенке ванны. При плавлении металла леточное отверстие находится выше уровня жидкого металла. При разливке металла печь поворачивают на катках и леточное отверстие оказывается под зеркалом ванны. Механизм наклона любого типа должен обеспечивать слив всего металла из печи.