Проектирование индукционной установки

Список литературы.doc

Материалы для электротермических установок. — Справочное пособие Под
ред. М.Б.Гутмана. М.: Энергоатомиздат 1987. 295 с.
А.Н. Шамов В.А. Бодажков Проектирование и эксплуатация высокочастотных
установок. — Л.: Машиностроение 1974. 280 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для ВУЗов Под ред.
А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат 1981. 325 с.
Марочник сталей: Справочник Под ред. А.Е.Слухоцкого. Л.:
Машиностроение 2001. 325 с.
В.С. Немков А.Е. Слухоцкий Расчет параметров коротких индукторов с
помощью схем замещения «труды ВНИИТВЧ». Л. Машиностроение 1970 вып. 11
В.И. Анурьев Справочник конструктора-машиностроителя т.3. М:
Машиностроение 1982. 576 с.

Записка.doc

1. Расчет основных параметров установки.
Выбор частоты при сквозном нагреве определяется двумя основными
) электрическим КПД индуктора который не должен сильно отличаться от
) временем нагрева которое должно быть минимальным.
Для полых цилиндров в отличие от сплошных имеется оптимальная
частота при которой КПД максимален. Этот максимум заметно выражен лишь
при малых толщинах стенки ([pic])[2]. В нашем случае: [pic].
Определим оптимальную частоту по формуле [3]:
Где [pic] мм — средний диаметр цилиндра
коэффициент k2 при [pic] может быть найден по формуле:
Удельное электрическое сопротивление для стали 08Х18Н10Т примем равным:
Получим для трубы (105: [pic] Гц
Для трубы (8.25: [pic] Гц
Так как экономически нецелесообразно приобретать несколько генераторов
частоты примем для всех типов труб частоту равной [pic] Гц.
2 Выбор основных размеров индуктора.
Цилиндрические индукторы характеризуются внутренним диаметром [p
длиной [pic] и числом витков обмотки w а также толщиной теплоизоляции и
теплопроводностью ее слоев. Внутренний диаметр теплоизоляции определяется
максимальным диаметром нагреваемых заготовок D2 и зазором h3 зависящим от
размера и качества заготовок а также от принятого способа транспортировки:
Толщина тепловой изоляции dф выбирается из условия получения
максимального КПД индуктора. Оптимальная толщина изоляции тем больше чем
выше температура и теплопроводность материала футеровки а также чем меньше
удельная мощность передаваемая в заготовку. Из условия механической
прочности толщина футеровки должна быть не менее 10 мм.
Принятые размеры индуктора.
[pic] 0.00825..0.105 м
w Определяется расчетом
Так как скорость движения трубы нам задана то считаем что время
нагрева заготовки равно времени ее прохождения через индуктор:
4 Полезная мощность.
Часть мощности передаваемой в проводник достаточная для нагрева
требуемого объема до заданной температуры считается полезной мощностью.
Она определяется формулой:
где G – вес нагреваемого объема проводника кг; температура начальная Т1 и
Q – производительность кгс.
Установим целесообразно ли использование теплоизоляции. Для этого
рассчитаем потери на излучение и конвекцию по формулам предложенным в [2].
Удельная мощность потерь на излучение определяется уравнением:
Здесь kи – коэффициент излучения материала зависящий от температуры и
состояния поверхности; Tп Tо – температуры поверхности и окружающей среды
Потери на конвекцию в спокойном воздухе:
Для цилиндрического индуктора с однослойной теплоизоляцией мощность
тепловых потерь определяется из решения уравнения учитывающего передачу
тепла путем излучения в воздушном зазоре и теплопроводностью через
изоляцию. Но при высокой температуре нагрева [pic] и большей толщине
изоляции тепловым сопротивлением зазора можно пренебречь и считать [pic] а
тепловые потери найти сразу без решения уравнения. Тогда потери тепла
отнесенные к единице поверхности нагреваемой заготовки равны:
[pic] — коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].
Сравнив тепловые потери через теплоизоляцию и без нее становится
очевидной необходимость ее применения так как это позволит сократить
потери более чем в 20 раз. Примем суммарную мощность равной [pic].
Тогда удельную мощность для остальных расчетов примем равной:
6 Мощность индуктора периодического действия.
Как указывается в [3] мощность подводимая к индуктору в течение цикла
нагрева меняется вследствие изменения удельного сопротивления и магнитной
проницаемости заготовок. Бльшая часть времени нагрева (около 70%)
приходится на горячий режим когда параметры индуктора и потребляемая
мощность практически постоянны. Можно считать что мощность P2Г в конце
нагрева стальной заготовки связана со средней мощностью соотношением:
Средняя за время нагрева мощность:
Рассчитав индуктор на мощность P2Г – только в заключительной стадии
горячего режима мы обеспечим весь нормальный цикл нагрева и требуемую
среднюю мощность P2ср.
Расчет параметров электромагнитной системы.
Основной задачей расчета электромагнитной системы для индукционного
нагрева является определение входных параметров нагруженного индуктора:
активного и реактивного сопротивлений КПД коэффициента мощности тока
напряжения и числа витков по заданным геометрическим размерам частоте
тока мощности и электрическим свойствам материала индуктора и детали.
Первоначально произведем расчет для трубы (105 мм.
1 Сопротивление пустого индуктора.
Принимаем что индуктор изготовлен в виде однослойной катушки из медной
трубки. Для индукторов следует использовать только электротехническую медь
марок М0 и М1 так как наличие нежелательных добавок например фосфора
резко увеличивает ее удельное сопротивление. При рабочей температуре
(20(50(С) сопротивление меди можно считать [pic][2]. Трубка индуктора
обычно профилируется на прямоугольник. В индукторах основная часть тока
протекает по стенке трубки обращенной в сторону детали.
Для индуктора длиной a1 из w витков трубки с толщиной стенки (1
активное сопротивление равно:
где (1 – глубина проникновения тока в медь:
ПЭ – эквивалентный периметр окна индуктора. Для цилиндрического индуктора с
внутренним диаметром D1:
Коэффициент увеличения сопротивления [pic] учитывает толщину стенки трубки.
Его минимальная величина равная 0.92 соответствует [pic]. Поскольку
минимальному r1 соответствуют минимальные потери тепла толщину трубки
следует брать в пределах [pic][2]. Примем [pic].
[pic]в соответствии с (рис.13 [2]) [pic]
Так как число витков неизвестно в расчете полагаем w=1. Тогда:
Реактивное сопротивление индуктора определяется по формуле:
[pic] — поправочный коэффициент самоиндукции зависящий от длины индуктора:
[pic]в соответствии с (рис.14 [2]) [pic]
2 Расчет вносимых сопротивлений деталей.
Для расчета будем пользоваться методом расчета по общему потоку [5].
Метод основан на составлении схемы замещения нагруженного индуктора.
Допускается что все его витки охвачены одним общим потоком. Участок
прохождения магнитного потока по детали и по зазору вдоль ее поверхности
является полезным и рабочим а участок внутри индуктора но вне детали (при
l1> l2) и снаружи индуктора – участком замыкания потока. Сопротивления
обусловленные наличием зазора (xs) и детали (r2 и x2м) рассчитываются как
для отрезка длиной l2 бесконечной системы. Расчет прост и универсален.
Ошибка расчета обычно не превышает 8% по xн и 10-15% по rн.
Полное сопротивление индуктора равно:
где С – коэффициент приведения
Порядок расчета следующий:
Находим расчетные геометрические размеры индуктора и детали в каждом
режиме в соответствии с (табл.13 [2] ). В горячем режиме расчетные размеры
Величина [pic] — глубина проникновения тока в материал определяет
линейные размеры нагреваемых тел и индуктора. В общем случае [pic] является
расчетной величиной и зависит только от его свойств и частоты тока:
Активное сопротивление:
M – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:
[pic](по рис. 11 [2] )
Индуктивное сопротивление потоку внутри заготовки:
N – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:
[pic] (по рис. 10 [2] )
По формулам (табл.13 [2] ) рассчитываем сопротивления [pic] и
Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой:
Индуктивное сопротивление обратного замыкания:
Коэффициент приведения параметров:
Сопротивления нагруженного индуктора:
Коэффициент мощности:
Напряжение на индукторе:
Число витков. Если число витков заранее неизвестно в расчете полагаем
что оно равно 1 и затем находим число витков по формуле:
3 Пересчет с учетом полученного количества витков.
Активное сопротивление равно:
[pic]4. Электрический КПД.
Высокочастотные генераторы конденсаторы понижающие трансформаторы а
в отдельных случаях шинопроводы и конструктивные элементы требуют
интенсивного охлаждения. Для осуществления закалки кроме того требуется
вода или другая охлаждающая среда. От системы водоснабжения в большинстве
случаев зависит надежность работы установки в целом так как выход из строя
элементов установки чаще всего наблюдается по причине засорения каналов
охлаждения грязью и накипью. Расходы на охлаждение составляют значительный
процент от общих затрат. Опыт убедительно показывает что меньшие расходы
получаются при замкнутой системе когда вода из градирни или резервуара
насосами подается для охлаждения и затем возвращается обратно.
Интенсивность отвода тепла жидкостью протекающей по трубам
определяется коэффициентом теплоотдачи. Этот коэффициент зависит главным
образом от скорости и характера протекания жидкости и состояния
поверхности. При малых скоростях характер движения ламинарный. При этом
режиме не вся жидкость участвует в теплообмене а только слои примыкающие
к поверхности стенок. Коэффициент теплоотдачи весьма мал. С увеличением
скорости движение становится турбулентным. Коэффициент теплоотдачи при этом
резко возрастает. Переход из ламинарного режима в турбулентный определяется
критерием Рейнольдса:
Где dэ – эквивалентный гидравлический диаметр равный: [pic]
v – скорость воды мс; S0 – площадь отверстия трубки м2; П – периметр
внутренний периметр участвующий в теплообмене м; ( -- коэффициент
кинематической вязкости воды при средней ее температуре Тср м2с.
где T1 и T2 – температура воды на входе и выходе трубки (С.
В расчетах можно принять [pic] и [pic] тогда получим:
[pic](С отсюда [pic][2].
Полагая что все тепло теряемое в индукторе уносится водой а средняя
температура не превышает температуры на выходе расчет можно проводить
Количество охлаждающей воды:
Где (P – полные потери мощности кВт.
Для индукторов: [pic] кВт
Где Pи – мощность подводимая к индуктору кВт; (э (t – электрический и
тепловой КПД индуктора.
Площадь сечения трубки:[pic]
Где v – скорость воды протекающей по трубке; обычно [pic]мс [3].
Отсюда внутренний диаметр трубки:
по ГОСТ 617-72 примем медную трубку со следующими параметрами [7]:
наружный диаметр (10 мм
толщина стенки – 2 мм
Перепад давления по длине токопроводов:
Здесь (о – удельная масса воды [p l – длина канала (длина трубки)
[pic] -- коэффициент сопротивления при шероховатости первого рода равный:
где k – коэффициент шероховатости равный 1.5(5 м принимаем для трубок с
налетом накипи [pic] м.
Так как индуктор должен охлаждаться от городского водопровода то
соответственно [pic]МПа. Это условие не выполняется. Увеличим диаметр
медной трубки примем его равным (28 мм.
Эквивалентный гидравлический диаметр:
Определение тепловых потерь через футеровку.
Как указывалось выше футеровка представляет собой однослойную стенку из
Исходные данные для расчета:
Потери тепла определяем по формуле:
Так как весь тепловой поток попадающий на шины индуктора поглощается
ими то из площади внутренней стенки вычтем площадь закрытую медной
А) Зададимся значениями температур t1 t2.
Условия накладываемые на значения температур:
i [pic](С[pic](С[pic](С
Подставив полученные значения получим:
Осуществим проверку:
Полученные значения заносим в таблицу 4.1.
Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:
Вывод: выбранное значение температуры t1 удовлетворяет наложенным
условиям. Но полученная нами температура наружной поверхности
футеровки t2 слишком высока чтобы снизить ее увеличим толщину
Б) Увеличим толщину стенки в 4 раза.
Полученные значения заносим в таблицу 4.2
Вывод: выбранные значения температур t1 t2 удовлетворяют наложенным
Расчет параметров индуктора для отжига трубы (865.
1 Проверка возможности использования одного и того же индуктора для
нагрева всех типов труб.
Из расчета видно что применение одного и того же индуктора для всего
сортамента труб невозможно и необходимо проектировать несколько индукторов
для труб разного диаметра.
Проведем расчет для индуктора способного обрабатывать помимо труб
самого маленького диаметра несколько сортов проката чтобы минимизировать
количество индукторов.
2 Расчет параметров индуктора.
[pic] 0.00825..0.02 м
Сопротивление пустого индуктора:
Находим расчетные геометрические размеры индуктора и детали в
соответствии с (табл.13 [2] ). В горячем режиме расчетные размеры равны
3 Расчет системы охлаждения
наружный диаметр (8 мм
соответственно [pic]МПа. Это условие выполняется.
4 Определение тепловых потерь через футеровку.
Как указывалось выше футеровка представляет собой однослойную стенку
из минеральной ваты.
Технические требования.
Опыт эксплуатации индукционных установок показал их высокую надежность
и безопасность при обслуживании. Монтаж индукторов и линий передач должен
производится с учетом требований ПУЭ. Конструкция должна исключать
возможность случайного прикосновения к элементам находящимся под высоким
напряжением (конденсаторы выводы первичной обмотки трансформатора и т.п.).
Вторичная обмотка трансформатора и все металлические конструкции установки
должны быть заземлены. Напряжение на индукторе составляет несколько
десятков а иногда и сотни вольт и может служить причиной поражения
персонала. Запрещается прикасаться к индуктору находящемуся под
напряжением или менять деталь без его отключения. Санитарно-гигиеническими
нормами ограничиваются напряженности магнитного и электрического полей в
зоне расположения обслуживающего персонала (5Ам и 20Вм соответственно).
Обычно эти нормы соблюдаются без применения специальных мер. В противном
случае используют экранирование индуктора магнитопроводами или кожухами. На
установках с ламповыми генераторами дополнительно контролируется уровень
создаваемых ими радиопомех. Персонал работающий на установке должен пройти
обучение и инструктаж на рабочем месте. Характер индивидуальных средств
защиты определяется конкретным типом процесса.

Введение.doc

Расчет основных параметров установки. 4
Расчет параметров электромагнитной системы. 7
Система охлаждения. 11
Определение тепловых потерь через футеровку. 13
Расчет параметров индуктора для отжига трубы (865. 15
Технические требования. 21
Список литературы. 22
Почти весь сортовой прокат поставляется отожженным с целью умягчения
стали и снятия остаточных напряжений. Термообработка производилась (на
некоторых заводах производится и сейчас) отдельными садками в пламенных или
электрических печах. Процесс термообработки занимал много времени и
сопровождался поверхностным окислением обезуглероживанием и
неравномерностью свойств по сечению и длине труб.
Эксплуатация индукционных печей показала что в составе оборудования
для нагрева трубных заготовок высокочастотные установки являются наиболее
подходящими из всех существующих типов печей.
По сравнению с газовыми печами они имеют следующие преимущества:
в 5-6 раз меньше габариты по длине что значительно упрощает их
установку в линии агрегата;
высокую надежность; это преимущество – одно из самых важных для
высокопроизводительных линий каковыми являются трубопрокатные
постоянную готовность к работе и оперативность;
почти полное отсутствие окалины;
легкость автоматизации поддержания и изменения режима нагрева и
его согласования с режимами работы стана и агрегатами
расположенными до печи.
коренное улучшение условий труда.
Исследованиями было установлено что для большинства сталей время
нагрева может быть взято в 100-500 раз меньше продолжительности их
термообработки в пламенных печах. Для реализации такого явления были
созданы индукционные установки позволяющие осуществить высокие скорости
Были созданы установки для рекристаллизационного отжига прутков при
котором снимаются напряжения в металле полученные в процессе прокатки. На
практике установлено что при нагреве до температуры Кюри достигаются
хорошие результаты отжига для марок ферромагнитных сталей. При этом
качество обработки (твердость микроструктура однородность свойств по
сечению и длине технологические свойства и степень обезуглероживания)
оказалось намного лучше чем при термообработке в печах. Применение
высокочастотных установок решило вопрос о механизации и автоматизации
процесса и почти полностью устранило ручной труд.

обл.DOC

Министерство высшего и среднего специального образования Российской
Московский ордена Ленина ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. БАУМАНА
ФАКУЛЬТЕТ МТ (Машиностроительные технологии)
КАФЕДРА МТ8(Материаловедение)
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:
Проектирование индукционной установки.
Студент ( Кулапин А.В. ) Группа МТ8-82
Руководитель проекта ( Ксенофонтов А.Г.

pechi1.dwg

Температура прокатки
- прокатываемая лентаn2- разматывательn3- токоподводящая клетьn4- рабочая клетьn5- моталкаn6- источник электроконтактного нагрева
Полезная мощность;nРпол МВт
Потери тепла излучением;nРи кВт
Потери тепла nтеплопроводностью; Рт Вт
Потери тепла конвекцией;n Рк МВт
Мощность тепловых потерь;n Рп МВт
Тепловой к.п.д.;nht %
Напряжение на заготовке;nU кВ
Производительность;nG кгч
Продолжительность нагрева;nt с
Мощность тепловых потерь;n Р п МВт
Напряжение на заготовке;nU В
Потери тепла конвекцией;n Р к МВт
Удельноеn электросопротивление;nP18
Удельнаяnтеплоемкость;nР18
Теплотехнические характеристики:
Удельнаяnтеплоемкость;
Удельноеn электросопротивление;
Толщина ленты;nd1d2 мм
Температура nнагрева;
Скорость лентыnпри входе в nвалки;
Потери тепла nтеплопроводностью;