Расчет индукционной канальной печи емкостью 1,07 тонны для плавки томпак

Курсовой проект (старая плохая версия).docx

Цель работы: пользуясь исходными данными произвести электрический и тепловой расчёты индукционной канальной печи.
- вид выплавляемого металла или сплава;
- характеристики расплавляемого металла или сплава:
- температура плавления и разливки;
- плотность в твёрдом и расплавленном состоянии;
- теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки или теплоёмкость и скрытая теплота плавления;
- удельное сопротивление в твёрдом и расплавленном состоянии;
- характеристики печи:
- производительность печи;
- длительность плавки и длительность загрузки и разливки;
- характеристики питающей сети:
- частота питающей сети;
- напряжение сети или напряжение вторичной обмотки печного трансформатора питающего печь.
Содержание курсовой работы:
- описание конструкции и принципа действия печи;
- достоинства и недостатки ИКП;
- электрический расчёт ИКП;
- тепловой расчёт ИКП;
- расчёт охлаждения индуктора;
- выбор электропечного трансформатора по справочной литературе на основании расчёта мощности ИКП;
- выбор по справочной литературе конденсаторов предназначенных для повышения cosφ на основании расчёта ИКП;
- таблица основных параметров и характеристик ИКП полученных в результате расчётов;
- список используемой литературы.
- индукционная единица;
- магнитопровод печного трансформатора;
- печной трансформатор в сборе;
- индукционная канальная печь.
Определение мощности печи
Характеристики меди (100% Cu)
Температура плавления
Температура перегрева перед разливкой
Плотность в жидком состоянии
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tплавления
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tперегрева
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при t0C
Скрытая теплота плавления
Удельное сопротивление меди (100% Cu) в жидком состоянии
Технические характеристики ИЛК-075
Производительность (ориентировочно)
Число индукционных единиц
Коэффициент мощности без компенсации
Масса печи общая с металлом
Печь шахтного типа. Плавильная камера выполнена в виде вертикального цилиндра 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.
Ориентировочный объём ванны печи:
Vвп=Gγмж=10508300=01265 м3
где: мж - плотность металла в жидком состоянии кгм3.
Остаточная ёмкость (ёмкость болота):
Gб=kбG=0286105=03 кг
где: kб - коэффициент учитывающий остаточную ёмкость (массу болота).
kб = 02÷05. Меньшие значения - для печей ёмкостью более 1 тонны большие - для печей ёмкостью менее 1 тонны.
Тепло необходимое для нагрева меди (100% Cu) массой 075 т при теплоёмкости 013 ккалкг0С от начальной температуры 200С до температуры плавления 1083 0С:
Q1=GC1tп-tн=7500131083-20=103642 ккал
Тепло необходимое для перевода сплава массой 075 т при 1083 0С в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления 425 ккалкг:
Q2=Gλ=750425=31875 ккал
Тепло необходимое для доведения сплава массой 075 т при теплоёмкости 01335 ккалкг0С от температуры плавления 1083 0С до температуры разливки 1225 0С:
Q3=GC2tр-tп=750013351225-1083=14218 ккал
Тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки 075 т сплава:
Qт=Q1+Q2+Q3=103642+31875+14218=149735 ккал
Тепло необходимое для поддержания температуры массы меди (100% Cu) Gб=03 т на уровне tр:
Q4=GбC2tр-tп=300013351225-1083=5681 ккал
Тепло необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки массы меди (100% Cu) G=105 т:
Q'т=Qт+Q4=149735+5681=155416 ккал
Активная мощность подводимая к печи:
где: п - полный КПД печи в предварительном расчёте для меди принимается равным 06÷072. Для ИЛК-075 п=07.
Длительность нагрева и подогрева жидкого металла: 1=1 ч.
Длительность разливки загрузки чистки: 2=02 ч.
Число плавок в сутки:
Pп=155416864071=257 кВт
Удельный расход электроэнергии:
W'=Pп1Gn=2571075=3427 кВтчт
Ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии при плавке меди в ИКП:
Число индукционных единиц принимается равным n=1 число фаз m=1.
Полная мощность печи:
Sп=Pпcosφ=25707=367 кВА
где: cosφ – коэффициент мощности ИКП при плавке меди (100% Cu).
Для ИЛК-075 по справочной литературе выбираем электропечной трансформатор с номинальной мощностью Sном=400 кВА. Тип трансформатора ЭПОМ-350 число фаз - 1 напряжение первичное 610 кВ вторичное 414 ÷ 298 В.
Расчёт индукционной единицы
Предварительная оценка сечения магнитопровода печного трансформатора
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора:
где: Sn - полная мощность ИКП ВА;
Eu - ЭДС индуктора канальной печи В;
U1 витка - межвитковое напряжение в индукторе В;
f1 - частота питающей сети Гц.
Все ИКП работают на частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД системы индуктор-канал может быть обеспечен на этой частоте при любом удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия: d2≤0752 (d2 - радиальный размер канала печи; 2 - глубина проникновения тока в расплавленный металл).
Nu - число витков индуктора;
Фm - магнитный поток в магнитопроводе печного трансформатора Вб;
Bm - магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора Тл(Вбм2);
Допустимую величину магнитной индукции B в магнитопроводе печного трансформатора ввиду тяжёлых условий работы принимают меньшей чем в обычных силовых трансформаторах.
Iu - ток в индукторе А;
jм - плотность тока в индукторе Ам2;
При воздушном охлаждении индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном охлаждении должна быть не более 20 МАм2.
S'м - поперечное сечение проводника индуктора м2;
S'c - поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора м2.
На основании опыта проектирования и эксплуатации ИКП и с учётом качества материала межвитковой изоляции индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора принимается 6 - 7 В на один виток на малых печах и 12 - 20 В на один виток - на больших печах.
Межвитковое напряжение принимается 7 - 10 В на один виток.
Таким образом ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком диапазоне:
S'c=6÷74445012=002252÷0026276=2252÷2627610-4 м2
S'c=12÷204445012=00450÷007507=4500÷750710-4 м2
S'c=7÷104445012=0026276÷0375375=26276÷37537510-4 м2
Расчёт поперечного сечения магнитопровода печного трансформатора
Подводимая к печи активная мощность
Максимальное значение индукции
Коэффициент мощности
Плотность тока в индукторе
Охлаждение индуктора
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора без учёта межлистовой изоляции:
S'c=CPBmjмf1cosφ=02725700027121151065007=00324 м2
=S'clcγcS'мlм(1)Nuγм=mcmм - коэффициент зависящий от отношения массы стали mc печного трансформатора к массе меди mм обмотки индуктора.
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и величины lм и lc обозначают соответственно длину одного витка индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчёте приняты значения плотности электротехнической стали γc =77103 кгм3 плотности меди обмотки γм =89103 кгм3 что соответствует коэффициенту 051 в определении коэффициента C. Исходя из практических результатов принято для стержневого трансформатора C 027÷030.
При водяном охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк 25÷30.
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учётом межлистовой изоляции:
Sc=S'ckз=00324095=00341 м2
где: kз - коэффициент заполнения сталью.
Коэффициент заполнения сталью магнитопровода печного трансформатора
Коэффициент заполнения сталью kз
Толщина стального листа 035 мм
Толщина стального листа 05 мм
Лаковая толщиной 001 мм
Оксидированное покрытие
Значению Sc соответствует ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора при межвитковом напряжении 7 - 10 В на один виток.
Для однофазного печного трансформатора стержневого типа Scm=Sя=00341 м2 .
0830822325Магнитопровод печного трансформатора изготавливается из листовой электротехнической стали ярмо выполняется съёмным в связи с необходимостью регулярной сборки и разборки.
Для устранения нагрева в месте стыка прижимное ярмо отделяется от стержней изолирующими прокладками толщиной 025 - 05 мм из электрокартона или миканита.
Пакет магнитопровода сжимается накладками из немагнитного металла с помощью стальных шпилек. Диаметр шпилек выбирается в пределах 12 - 16 мм а расстояние между ними обычно составляет 120 - 240 мм. Среднее давление сжатия листов должно быть не менее 03 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до 90 МНм2. Шпильки изолируют от листов трансформаторной стали фибровыми бакелитовыми или миканитовыми трубками а накладки - листовым миканитом или асбестом.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности - крестообразная или ступенчатая.
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение стержня равно сечению ярма Sст=Sяр а для броневого - Sяр=Sст2.
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая или стеклотекстолитовая гильза закреплённая деревянными клиньями. Толщина изолирующей гильзы: dг=05÷110-2 м.
Внутренний диаметр изолирующей гильзы:
Dг=4Sсkф=400341314083=02288 м
где: kф - коэффициент заполнения круга диаметром Dг зависящий от формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника окружности описанной вокруг него);
Для квадратного сечения kф=064. Для ступенчатого сечения при числе ступеней 2 3 4 и 5 соответственно kф=064;081;083;085. Чем выше мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Принимаем ступенчатое сечение стержня магнитопровода печного трансформатора с числом ступеней 4 kф=083.
Выбрав число ступеней можно найти наиболее выгодную ширину каждой ступени дающую наибольшую величину для коэффициента kф.
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т. д.) на практике при числе ступеней больше двух приходится отступать от наиболее выгодной (с точки зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня магнитопровода печного трансформатора
Наиболее выгодные размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
Практические размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
b1=0905; b2=0707; b3=0424
b1=085; b2=0665; b3=04
b1=0935; b2=08; b3=06; b4=0355
b1=088; b2=0752; b3=0564; b4=0334
b1=095; b2=0848; b3=0707; b4=0532; b5=0312
b1=0894; b2=0796; b3=0665; b4=05; b5=0293
Практические размеры ступеней стержня магнитопровода: b1=0198; b2=0169; b3=0127; b4=008 м.
Для последующих расчётов принимается изолирующая гильза из стеклотекстолита с толщиной стенки из.ст.т.=6 мм.
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора
Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Внутренний диаметр индуктора D1:
D1=Dг+2dг=02288+20006=02408 м
где: Dг - внутренний диаметр изолирующей гильзы;
dг - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора Nu:
Nu=Uu444fBmSс=380444501200341=4183
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует номинальному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании от электропечного трансформатора. питание от сетей напряжением 6600 и 10000 В производится только через трансформаторы. Принимаем стандартное напряжение 380 В.
Принимаем Nu=42 витка.
Iu=PnUucosφ=25700038007=96617 А
Площадь сечения проводника индуктора S'м:
S'м=Iujм=96617115106=084104 м2
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном варианте.
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр не превышает 6 мм.
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с толщиной рабочей стенки (обращённой к каналу) 10 - 15 мм или равностенная - с толщиной стенки 2 - 25 - 5 мм.
Размеры трубки выбираются в соответствии с сортаментом выпускаемых промышленностью медных трубок по ГОСТ 16774-78.
Параметры медной профилированной трубки для индукторов промышленной частоты
Стандартный медный прямоугольный профиль
Радиус закругления r=410-3 м длина трубки не менее 30 м.
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из стеклоткани: из.а=2÷3 мм; из.ст.т=1÷2 мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях - двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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.
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие: d1≥1571 где d1- радиальный размер провода индуктора 1- глубина проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора:
=2ρ12f=2210-8431410-7231450=0010071 м
где: 1 - удельное сопротивление материала индуктора Омм; ρ1=210-8;
=0r - магнитная проницаемость материала индуктора Гнм;
r - относительная магнитная проницаемость;
f - частота питающей сети с-1.
Оценка величины радиального размера d1 провода индуктора по условию d1≥1571:
d1≥1570010071=0015811 м
В качестве провода индуктора принимаем медную трубку прямоугольного сечения с размерами: радиальный d1=15 мм осевой a1=10 мм и толщиной стенки 2 мм.
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки прямоугольного сечения:
S'м=a1d1-a1-2стd1-2ст
S'м=1015-10-2215-22=84 мм2
где: ст - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
Предварительная оценка толщины межвитковой изоляции приходящейся на один виток индуктора:
из=a11-kз.и.2kз.и.=101-0832083=102 мм
где: kзи=a1в=06÷09 - коэффициент заполнения индуктора;
Элемент обмотки индуктора:
Осевой размер индуктора:
au=Nua1+2из=4210+21=504 мм
где: a1 - осевой размер провода индуктора;
из - толщина межвитковой изоляции.
Наружный диаметр индуктора:
D1u=D1+2d1+4из=02408 +20015+40001=02748 м
Средний диаметр индуктора:
Du=D1+D1u2=02408+027482=02578 м
Длина одного витка меди индуктора:
lм(1)=Du=31402578=0809492 м
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора:
lст=aukз. ст=50409=560 мм
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации ИКП установлено соотношение между осевой длиной индуктора au и длиной стержня lст магнитопровода печного трансформатора:
Полная длина магнитопровода:
lс=02601lм(1)C2=0260108094920272=2888 м
где: C=051lм(1)lс=027.
Длина ярма магнитопровода:
lяр=lс-lст=2888 -056=2328 м
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа рассчитываются по эскизу. Для однофазного печного трансформатора стержневого типа длина участка l2с=lст а длины участков l1с=l3с .
Печной трансформатор стержневого типа:
l1с=l3с =lс-2lст2=2888-20562=0884 м
mм=γмlм(1)NuS'м=891030809492428410-6=254174 кг
стали магнитопровода:
mс=γсlсS'с=77103288800324=7205 кг
Оценка значения коэффициента :
=mcmм=7205 254174=283467
Исходное значение =27. Расхождение составило 4751 % что является приемлимым.
Расчёт геометрических размеров канальной части индукционной единицы
Диаметр проёма подового камня:
Dn=D1u+2dв=02748 +20015=03048 м
где: dв - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней поверхности проёма подового камня;
При воздушном охлаждении подового камня рекомендуется принимать dв≥0015 м. При водяном охлаждении подового камня также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка - при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей в нём водой для охлаждения.
Принимаем dв=0015 м.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода:
Dк=03048 +2005=04048 м
где: dф - толщина футеровки между каналом и проёмом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и эксплуатации ИКП предложены рекомендации по величине dф. В зависимости от гидростатического давления металла в канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может изменяться в пределах: dф=005÷013 м. Для современных ИКП отношение наружного диаметра индуктора к внутреннему диаметру канала: D1uDк=065÷075.
D1uDк=02748 04048=06789
Глубина проникновения тока в жидкий металл канала:
=2ρ22f2=22110-8431410-7231450=0033 м
где: ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Омм; ρ2=2110-8 Омм;
=0м - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Гнм;
f2 - частота тока в жидком металле канала f2=f.
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения канала с большей стороной (осевой размер канала a2) расположенной параллельно оси индуктора.
Виды поперечных сечений каналов:
С ростом мощности увеличивается сечение канала т. е. возрастает его осевой размер a2 так как радиальный размер d2 ограничен (d2≤0752). Обычно a2=15÷5d2 (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей механической мощностью.
Если по расчёту получается a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в основном направлении на расстояние aк=15÷25a2.
Радиальный размер канала индукционной единицы:
Для получения наибольшего электрического КПД э и коэффициента мощности cosφ размер канала в радиальном направлении d2 выбирается в соответствии с неравенством
где: 2 - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
d2=0682=0680033=002244 м
Принимаем d2=0022 м.
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
lв=Dк+d2=04048 +0022=04268 м
где: d2 - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
l'в=Dк+2d2=04048 +20022=04488 м
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения что IuNuIкNк. Как указывалось выше число витков канала Nк=1 поэтому ток в жидком металле в канале определяется:
Iк=IuNu=9661742=4057914 А
Плотность тока в жидком металле в канале печи:
jк=Pк.уд.ρ2=501062110-8=1543106 Ам2
где: Pк.уд. - удельная мощность в жидком металле Втм3; Pк.уд.=50106 Втм3.
ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в расплавленном состоянии Омм.
Для некоторых металлов и сплавов значения jк и Pк.уд. приведены в справочных таблицах. Эти значения получены на основании большого опыта проектирования и эксплуатации ИКП.
Рекомендованная плотность тока в жидком металле в канале печи для меди (100% Cu) 15106 Ам2. Рассчитанное значение близко к рекомендуемому.
Sк=Iкjк=4057914 1543106=000263 м2
где: jк - плотность тока в канале Ам2;
Осевой размер канала a2 (прямоугольное сечение канала):
a2=Sкd2=0002630022=01195 м
Отношение осевого размера канала к радиальному: a2d2=01195 0022=543.
Так как a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в осевом направлении на расстояние ak:
ak=15a22=1501195 2=00896 м
Осевой размер каждого канала:
a'2=a22=01195 2=005975 м
Отношение осевого размера канала к осевому размеру индуктора:
a2au=01195 0504=02371
Активное сопротивление меди индуктора:
R1=115210-842314025788410-6=93110-3 Ом
где: 115 - коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по сечению провода индуктора.
Мощность потерь в меди индуктора:
Pu=R1Iu2=93110-3966172=869074 Вт
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора:
Pcm.n.=pсmс=127205=8646 Вт
где: pс - удельные потери в стали определённой марки при индукции принятой при расчёте (определяется по справочной литературе); pс=12 Вткг.
Активная мощность передаваемая в канал печи:
Pк=Pn-Pu-Pcm.n.=257000-869074-8646=24744466 Вт
Мощность Pк отличается от мощности в жидком металле (в "чистом " виде) P'к на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне ИКП.
Энергетическая диаграмма:
где: Pn - активная мощность печи;
Pu - электрические потери в меди индуктора;
Pcm.n. - электрические потери в стали печного трансформатора;
Pn.к. - тепловые потери в подовом камне печи;
Pm.в. - тепловые потери ванны печи;
Pк - активная мощность в канале печи.
Объём двух каналов определяется через передаваемую мощность в канал печи:
Vк=PкPк.уд.=247444 50106=0004949 м3
Расчётное значение длины канала по средней линии:
lк=VкSк=0004949000263=18817 м
где: Vк - объём канала;
Sк - сечение канала.
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу:
l'к=lв=31404268=134 м
Полученные значения lк и l'к должны быть достаточно близкими причём очевидно что расхождение должно определяться неравенством l'кlк. В противном случае необходимо проводить коррекцию расчёта.
Размеры отдельных участков канала печи определяются с использованием эскиза печи:
Длина участка m2=005 м;
Длина участка m3=10117 м.
Полная длина канала по средней линии:
lк=m1+2m2+m3=067+2005 +11117=18817 м
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси стержня магнитопровода:
Dф=l'в+2dф.н.=04488 +201=06488 м
Толщина наружной части футеровки канала dф.н. должна быть больше толщины футеровки между каналом и проёмом подового камня dф.
Оценка соотношения размеров подового камня и "окна" магнитопровода проводится с целью возможности размещения подового камня в "окне" магнитопровода. Используя результаты расчёта длин отдельных участков магнитопровода определяется расстояние между участками lс2 и lcm.
l=lс3-2Sc=0884-200341=051467 м
Расстояние от горизонтальной оси стержня магнитопровода до наружной стенки подового камня по вертикальной оси:
l'=Dф2=06488 2=03244 м
Длина части подового камня размещённая в "окне" магнитопровода:
l''=l'-Sc2=03244 -003412=02321 м
Расчёты показывают что l>l''. Подовый камень может быть размещён в "окне" магнитопровода.
mм.к.=γм.ж.Vк.u.=γм.ж.a22m2+lв2d2+2m3
mм.к.=8300011952005+3140426820022+003310117=4992 кг
металла в ванне печи:
mм.в.=G-mм.к.=1050-4992=100008 кг
Объём ванны печи занятой жидким металлом:
Vв.п.=mм.в.γж.м.=100008 8300=012049 м3
Высота жидкого металла в ванне печи:
hм.в.=4Vв.п.Dв2=4012049 3140642=0375 м
Диаметр ванны печи Dв=064 м принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
где: V'в.п. - объём несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Масса несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
m'м.в.=Gб-mм.к.=300-4992=25008 кг
Объём несливаемой части жидкого металла:
V'в.п.=m'м.в.γж.м.=25008 8300=003013 м3
h'м.в.=4003013 3140642=0094 м
Величина давления создаваемого электродинамическими силами и сжимающего металл в закрытых каналах:
Fсж=005098510-4Iкa22= атм
Fсж=005098510-4431410-74057914 011952=073842 атм
Полученное значение меньше атмосферного давления поэтому нет необходимости увеличения высоты жидкого металла в ванне печи.
Эскиз канальной части индукционной печи:
Расчёт электрических параметров ИКП Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части активное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по выражениям:
при d22 R2=ρ2lda2d2+la22
при d2>2 R2=ρ2ld+la22
l - длина (по средней линии) пути тока канальной части не ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный металл или сплав т. е. предполагается что радиальный размер канала d2=2.
ld=m1+2m2=067 +2005=077 м
R2=ρ2lda2d2+la22=2110-807701195 0022+1011701195 0033=115210-4 Ом
Активное сопротивление нагруженного индуктора:
где: R1 - активное сопротивление меди индуктора.
Приведённое сопротивление жидкого металла или сплава в канальной части печи:
R'2=Nu2R2=422115210-4=0203 Ом
Ru=93110-3+0203=0212 Ом
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора:
Xu=8fNu2Dpdskrks10-6au
где: Dp - средний (расчётный) диаметр зазора;
ds - приведённое расстояние между индуктором и каналом;
kr - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы индуктор - канал;
ks - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора au и a2.
Индуктивное сопротивление системы индуктор - канал возрастает с уменьшением отношения её поперечного сечения к её длине. Индуктивность системы тем больше чем больше поток рассеяния который растёт с увеличением площади пространства между индуктором и каналом что и учитывается произведением Dpds.
Средний (расчётный) диаметр зазора:
Dр=lв+D1u2=04268+027482=03508 м
Приведённое расстояние между индуктором и каналом:
ds=lв-D1u2+d1+d23=04268-027482+0015+00223=008833 м
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор - канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно пропорциональна его высоте т. е. его осевому размеру au. Конечная длина системы индуктор - канал учитывается коэффициентом Роговского.
Коэффициент Роговского:
kr=1-lв-D1u+2d1+2d22au
kr=1-04268-02748+20015+2002223140504=07489
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров индуктора au и канала a2.
где: α=au-a2au=0504-011950504=07629.
ks=1+076291+07629050400883335=21968
Xu=83145042203508008833074892196810-60504=02241 Ом
Полное сопротивление нагруженного индуктора:
где: Zu=Ru2+Xu2=0212 2+022412=0308 Ом ;
φu=arctgXuRu=arctg022410212=479 .
Коэффициент мощности печи:
cosφu=cosarctgXuRu=cosarctg022410212=064
Полученное значение cosφu=066 отличается от первоначально выбранного незначительно cosφu=07.
Iu=UuZu=3800308=123146 А
Полная мощность индуктора:
Su=UuIu=380123146=46616 кВА
Активная мощность индуктора:
Pu=Sucosφu=46616 064=298342 кВт
Полученные значения тока и мощности не значительно превышают ранее рассчитанные значения тока и мощности. Принятый в начале электропечной трансформатор сможет обеспечить соответствующее питание ИКП.
Полученное значение активной мощности не превышает 300 кВт поэтому число индукционных единиц n и число фаз m остаются такими же.
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности до величины 095:
Qc=Ptgφ1-tgφ2=2983421138-0329=24136 кВар
где: tgφ1 - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности ИКП;
tgφ2 - соответствуют заданному коэффициенту мощности.
После определения Qc используя справочную литературу подбирается соответствующий конденсатор.
Выбираем конденсатор косинусный КС-2-038-50-2УЗ с номинальным напряжением 380 В номинальной мощностью Qcном=50 кВар и номинальной ёмкостью Cном=1102 мкФ.
Для того чтобы обеспечить повышение коэффициента мощности до величины 095 необходимо включить параллельно индуктору печи пять конденсаторов КС-2-038-50-2УЗ.
tgφ2=tgφ1-QcP=1138-550298342=0162
Коэффициент мощности с учётом компенсации:
Реактивный ток индуктора печи до компенсации:
Ipn=Insinφu=123146075=9236 А
Реактивный ток печи после компенсации:
I'pn=Ipn-Ic=9236 -6579 =2657 А
Ic=5QcUном=550000380=6579 А
Активная составляющая тока печи:
Ian=Incosφu=123146066=8128 А
Потребляемый ток печи после компенсации:
I=Ian2+I'pn2=81282+2657 2=8551 А
Плотность тока в меди индуктора:
ju=IuSм=12314684=1466 Амм2
Ik=IuN=12314642=517213 А
Плотность тока в канале печи:
jk=IkSk=5172132630=197 Амм2
э=Pu-PucmPu=298342-149832 298342=095
где: Pucm=Pu+Pc - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали магнитопровода;
Pu=R1Iu2=93110-31231462=1411856 Вт
Pucm=1411856+8646=149832 Вт.
Более точно тепловой КПД печи может быть получен на основании теплового расчёта. Если по тепловому расчёту значение т окажется ниже то это означает реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
Основные технические характеристики ИЛК-075 (100% Cu)
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность
первичное напряжение
вторичное напряжение
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп. Л.И.Иванова Л.С.Гробова Б.А.Сокунов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ 2002. 105 с.
Электротермические установки: Учебное пособие Б.А.Сокунов Л.С.Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 2004. 122 с.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия 1967. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1968. 496 с.
Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия 1974. 248 с.: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной металлургии. М.: Металлургия 1971. 320 с.
Фомин Н.И. Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов А.Е.Слухоцкий В.С.Немков Н.А.Павлов А.В.Бамунэр; Под ред А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат Ленинградское отд-ние 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна Б.П.Платонов А.Д.Акименко С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич Н.М.Некрасова А.Д.Свенчанский; Под ред. А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат 1982.
Болотов А.В. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. шк. 1988. 336 с.: ил.
Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848 с.: ил.
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин Н.А.Смирягина А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1974. 488 с.: ил.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред. Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии 1961. 872 с.: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-справочное руководство. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988. 432 с.: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкий и др.; Под ред. А.П.Альтгаузена М.Д.Бершицкого М.Я.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических цепей: Учебник. М.: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. 304 с.: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под общей ред. А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных металлов и сплавов. М.: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М.: Металлургия 1984. 232 с.: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.: Энергоатомиздат 1983. 120 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия 1989. 231 с.
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с.: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов И.П.Копылов Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.; Под ред. И.П.Копылова. М.: Энергия 1980. 496 с.: ил.

ИКП 7 вариант.cdw

Внутренний размер индуктора
Наружный размер индуктора
Средний размер индуктора
Длина стержня магнитопровода
Длина ярма магнитопровода
Проём подового камня
Внутренний размер канала
Радиальный размер канала
Расстояние между устьями канала
Расстояние между наружными стенками устьев
Осевой размер канала
Осевой размер индуктора
Размер наружной части подового камня
Высота жидкого металла в ванне печи
Высота несливаемой части жидкого металла

ИЛК-0,75.cdw

Внутренний размер индуктора
Наружный размер индуктора
Средний размер индуктора
Длина стержня магнитопровода
Длина ярма магнитопровода
Проём подового камня
Внутренний размер канала
Радиальный размер канала
Расстояние между устьями канала
Расстояние между наружными стенками устьев
Осевой размер канала
Осевой размер индуктора
Размер наружной части подового камня
Высота жидкого металла в ванне печи
Высота несливаемой части жидкого металла

Методика.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра “Электротехника и электротехнологические системы”
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению курсовой работы
Дисциплина: Электротехнологические установки и системы
Тема: Расчет индукционной канальной печи
В соответствии с учебным планом студенты специальности 140605 -
Электротехнологические установки и системы ГОУ ВПО УГТУ – УПИ выполняют
курсовую работу по дисциплине «Электротехнологические процессы и
установки» по теме «Расчет индукционной канальной печи».
Цель и требования по выполнению курсовой работы по теме «Расчет
индукционной канальной печи» приведены ниже.
Цель курсовой работы: пользуясь исходными данными произвести
электрический и тепловой расчеты индукционной канальной печи.
К исходным данным относятся:
- вид выплавляемого металла или сплава;
- характеристики расплавляемого металла или сплава:
температура плавления и разливки;
плотность в твердом и расплавленном состоянии;
теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки или
теплоемкость и скрытая теплота плавления;
удельное сопротивление в твердом и расплавленном состоянии;
- характеристики 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.
Курсовая работа по электрическому и тепловому расчетам индукционной
канальной печи (ИКП) должна содержать:
- описание конструкции и принципа действия печи;
- достоинства и недостатки ИКП;
- электрический расчет ИКП;
- тепловой расчет ИКП;
- расчет охлаждения индуктора;
- выбор электропечного трансформатора по справочной литературе на
основании расчета мощности ИКП;
- выбор по справочной литературе конденсаторов предназначенных для
- таблицу основных параметров и характеристик ИКП полученных в
результате расчетов;
- список используемой литературы.
Помимо электрического теплового расчетов и расчета охлаждения
индуктора ИКП в пояснительной записке необходимо отразить назначение и
применение сплава или металла расплавляемого в данной ИКП а также его
Выбор материала индуктора и электротехнической стали печного
трансформатора производится с использованием справочной литературы на
основании прочитанных дисциплин «Электротехнические материалы»
«Электрические машины» и «Специальные электрические машины».
Тепловой расчет и выбор материалов футеровки индукционной единицы и
ванны печи базируются на дисциплинах «Теория электронагрева» и
Пояснительная записка выполняется на формате А4 объемом 30 – 40 с
желателен компьютерный набор. Титульный лист выполняется в соответствии
со стандартом ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Образец титульного листа приведен ниже.
Наряду с текстовыми материалами в пояснительной записке должны быть
представлены эскизы (в масштабе) на формате А4 рассчитанных:
индукционной единицы индуктора магнитопровода печного трансформатора и
печного трансформатора в сборе а так же индукционной канальной печи.
В табл. 1 приведены варианты заданий к курсовой работе по теме:
“Расчет индукционной канальной печи”. Вариант задания для каждого
студента определяется преподавателем.
В табл. 23 приведены некоторые характеристики металлов и сплавов
расплавляемых в индукционных канальных печах [1 2]
В табл. 4 приведены характеристики ряда индукционных канальных
Образец титульного листа
ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет –УПИ
Кафедра “ Электротехника и электротехнологические системы “
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
ПО ТЕМЕ: РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ
№ Полная Металл или сплав
075 Латунь Л63 (Zn – 395 – 366 %; Cu - остальное)
105 т Латунь Л63 (Zn – 395 – 366 %; Cu - остальное)
250 т Латунь Л63 (Zn 395 - 366 %; Cu -остальное)
550 т Латунь Л63 (Zn 395 - 366 %; Cu -остальное)
075 Томпак (90% Си 10 % Zn)
105 Томпак (90% Си 10 % Zn)
250 Томпак (90% Си 10 % Zn)
550 Томпак (90% Си 10 % Zn)
075 Полутомпак (Zn – 20 %; Cu - 80 %)
105 т Полутомпак (Zn – 20 %; Cu - 80 %)
130 т Полутомпак (Zn – 20 %; Cu - 80 %)
250 т Полутомпак (Zn – 20 %; Cu - 80 %)
550 т Полутомпак (Zn – 20 %; Cu - 80 %)
975 Фосфористая бронза (Cu - 93 %; Zn - 3 %; Sn - 4 %)
130 т Фосфористая бронза (Cu - 93 %; Zn - 3 %; Sn - 4 %)
250 т Фосфористая бронза (Cu - 93 %; Zn - 3 %; Sn - 4 %)
550 т Фосфористая бронза (Cu - 93 %; Zn - 3 %; Sn - 4%)
075 тМарганцовистая бронза (Cu - 58 %; Zn - 40 %; Sn - 2%)
130 т Марганцовистая бронза (Cu - 58 %; Zn - 40 %; Sn - 2%)
250 т Марганцовистая бронза (Cu - 58 %; Zn - 40 %; Sn - 2 %)
550 т Марганцовистая бронза (Cu - 58 %; Zn - 40 %; Sn - 2 %)
Определение емкости печи
Полная емкость печи G состоит из полезной (сливаемой) емкости [pic] и
остаточной емкости (емкости болота) [pic] [5]
[pic] = [pic] + [pic] 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)
где [pic]- коэффициент учитывающий остаточную емкость (массу болота). Этот
коэффициент принимают равным 02 – 05; причем меньшие значения - для
печей емкостью более 1 тонны а большие - для печей емкостью менее 1
Полезная емкость (сливаемая емкость)
[pic] - число плавок в сутки.
Число плавок в сутки
где [pic] - длительность плавки и подогрева жидкого металла в часах
[pic] - длительность разливки загрузки чистки и т.д. в часах.
Если задана полезная емкость печи то полная емкость определяется по
Следует отметить что значение величины производительности весьма
В справочной литературе значения производительности даются
ориентировочно (табл. 4) [6 7 10].
Характеристики некоторых металлов и сплавов расплавляемых в индукционных
Температура оС Плотность тм3 Удельная теплоемкость в жидком состоянииСкрытая
ккал(кг·град) теплота
Металл или сплав плавлени
плавлениперегрева при 20 оС в жидком при при при температуре оС
я перед состоянии температуртемператур
плавления перегрева
Томпак 1045 1225 880 820 01139 01174 00935 +00000195t 410
Полутомпак 1000 1160 870 810 01138 01171 00933 +00000205t 390
Латунь 905 1070 850 780 01124 01162 00929 +00000216t 355
Латунь 940 1140 860 800 01132 01175 00929 +00000217t -
Бронза 920 1070 850 780 01130 01164 00924 +00000224t 345
Бронза фосфористая1060 1225 860 800 01137 01168 00935 +0000019t 40
Алюминий 658 700 24 24 0297 0300 0246 +0000078t 924
Удельное сопротивление некоторых
металлов и сплавов в жидком состоянии
Металл или сплав Химический состав % сопротивление
Латунь 30 - 33 остальное Cu [pic]
Латунь 395 – 366 остальное Cu [pic]
Томпак 10 90 Cu [pic]
Мельхиор 80 20 Ni [pic]
Алюминий 100 Al [pic]
Марганцовистая Cu – 58; [pic]
Фосфористая бронза Cu – 93; [pic]
Никель Ni – 100 [pic]
Цинк Zn – 100 [pic]
Длительность плавки и подогрева жидкого металла ([pic]) зависит от
физических свойств (теплоемкости и скрытой теплоты плавления) расплавляемых
металлов и сплавов. Повышение производительности связано с уменьшением
величины [pic] 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 [pic] 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 [pic] 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.
Технические характеристики индукционных канальных печей
ИЛК-0ИЛК-1 ИЛК-16 ИЛК-25 ИЛК-6 ИАК-04 ИАК-6
Общий 060 –075 – 075 – 070 – 060 – 080 – 080 –
КПД печи 072 085 090 080 085 090 086
Величину подводимой к печи активной мощности также можно определить
через энтальпию по выражению [8]
[pic][3] - энтальпия металла или сплава при
температуре разливки Вт·чкг.
Если величина теплосодержания (энтальпия) не известна то подводимая к
печи мощность определяется по выражению [5]
где [pic] - тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения
до температуры разливки G кг сплава [ккал].
В свою очередь величина [pic] определяется по выражению
где [pic] - тепло необходимое для нагрева сплава массой G кг при
теплоемкости [pic] от начальной температуры [pic] до температуры плавления
[pic] - тепло необходимое для перевода сплава массой G кг при
[pic] - тепло необходимое для доведения сплава массой G кг при
теплоемкости [pic] от температуры плавления [pic] до температуры
разливки [pic] ккал.
Значения теплоемкости и скрытой теплоты плавления для некоторых
металлов и сплавов приведены в табл. 2 [5].
Опыт расчетов показывает что значения подводимой к печи активной
мощности рассчитанные по выражениям (4.14.34.54.6) имеют некоторое
Полная мощность печи
где [pic] - коэффициент мощности индукционной канальной печи.
При предварительном расчете коэффициентом мощности[4] печи обычно
задаются в зависимости от расплавляемого металла или сплава для которого
предназначена печь. В табл. 4.2 приведены ориентировочные значения
подтвержденные практикой эксплуатации коэффициентов мощности индукционных
канальных печей по [5.9] без компенсации реактивной мощности
предназначенных для плавки некоторых металлов и сплавов.
Значения коэффициентов мощности индукционных канальных печей
Металл или сплав Томпак (90 Полутомпак Латунь Бронза Медно-никелевые
Медь % Си и 20 %(80 % Си и (675 % Си и(93 % Си 3 % Zn и сплавы
Zn) 20 % Zn) 325 % Zn) 4 % Sn )
Удельная мощность в (4 ÷ 6)106 - в печах с
канале печи [p (40 ÷ 50)106
Втм3 50)106 60)106 (12 ÷15)106 - в печах с
горизонтальными каналами
– в печах с вертикальными 35 – в режиме
Плотность тока в 15 10 10 каналами; миксера;
канале печи [pic] 10 – в печах с горизонтальными80 – в
Амм2 каналами плавильном
Активная мощность одной индукционной единицы
где n – число индукционных единиц (индукционной единицей называется
система состоящая из печного трансформатора и подового камня с каналами).
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
[59] переходить к двухфазным или трехфазным единицам либо применять
несколько однофазных единиц.
Полная мощность одной индукционной единицы
Удельный расход электроэнергии
Ориентировочные значения удельного расхода электроэнергии
приведены в табл. 4.4.
Удельный расход электроэнергии при плавке
металлов и сплавов в индукционной канальной печи [6]
Металл или сплав электроэнергии [pic]
Алюминиевые сплавы 400 – 500
Полутомпак 220 – 260
Латунь Л68 200 – 240
Латунь Л62 180 – 220
Бронза оловянная 280 – 300
Бронза алюминиевая 280 – 320
Медноникелевые сплавы 300 – 320
Мельхиор [2] 350 – 380
Чугун 30 – 35 – в режиме
Расчет индукционной единицы
Расчет индукционной единицы включает в себя расчет печного
трансформатора индуктора и канала печи.
1. Предварительная оценка сечения
магнитопровода печного трансформатора
Исходя из предположения что напряжение индуктора печи [pic] равно
электродвижущей силе индуктора печи [pic] и используя известные выражения
(5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5) определяется поперечное сечение
магнитопровода печного трансформатора (5.1.6).
[pic]– частота питающей сети Гц. Все индукционные канальные печи
работают при частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД
системы индуктор – канал может быть обеспечен на этой частоте при любом
удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия
[pic]([pic] - радиальный размер канала печи [pic] - глубина проникновения
тока в расплавленный металл);
[pic] – магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора
Допустимую величину магнитной индукции В в магнитопроводе печного
трансформатора ввиду тяжелых условий работы принимают меньшей чем в
обычных силовых трансформаторах. Например для электротехнической стали
[pic]– плотность тока в индукторе Ам2. При воздушном охлаждении
индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном
охлаждении должна быть не более 20 МАм2;
[pic]– поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора
На основании опыта проектирования и эксплуатации индукционных
канальных печей и с учетом качества материала межвитковой изоляции
индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора
принимается 6 – 7 В на один виток на малых печах и 12 – 20 В на один виток
– на больших печах [8].
По [3] межвитковое напряжение принимается 7 – 10 В на один виток.
Таким образом ориентировочное значение величины сечения
магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком
2. Расчет поперечного сечения
При введении дополнительных коэффициентов и обозначений поперечное
сечение магнитопровода определяется по выражению
[pic] м2 [6] (5.2.1)
[pic] - коэффициент зависящий от отношения массы стали [pic]
печного трансформатора к массе меди [pic] обмотки индуктора.
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и [pic]
величины [pic] и [pic] обозначают соответственно длину одного витка
индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчете приняты значения плотности электротехнической стали [pic]
кгм3 плотности меди обмотки [pic] кгм3 что соответствует коэффициенту
1 в определении коэффициента С. Исходя из практических результатов
принято для однофазного броневого трансформатора [pic] для стержневого
трансформатора [p для трехфазного
броневого пятикернового [pic].
При принудительном воздушном охлаждении индуктора [p при водяном
охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк [p для печей-
накопителей чугунолитейных цехов [pic].
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учетом межлистовой
где [pic] - коэффициент заполнения сталью [5].
Значения [pic] в зависимости от толщины стального листа и от вида
изоляции приведены в табл. 5.2.1.
Значения коэффициента заполнения сталью
Коэффициент заполнения сталью [pic]
Толщина стального Толщина стального
листа 035 мм листа 050 мм
Лаковая изоляция толщиной
1 мм 090 ÷ 091 092 ÷ 093
Оксидированное покрытие 093 095
Магнитопровод печного трансформатора изготовляется из листовой
электротехнической стали ярмо выполняется съемным в связи с необходимостью
регулярной сборки и разборки.
[pic] Для устранения нагрева в месте стыка
прижимное ярмо отделяется от стержней
изолирующими прокладками толщиной 025 –
мм из электрокартона или миканита.
На рис. 5.2.1 [8] показан применяемый
способ стяжки листов трансформаторной
стали ярма и стержней. Пакет
магнитопровода 1 сжимается накладками 2 из
немагнитного металла с помощью
стальных шпилек 3. Диаметр шпилек
выбирается в пределах 12 – 16 мм а
расстояние между ними обычно составляет 120
– 240 мм. Среднее давление сжатия листов
Рис. 5.2.1. Способ стяжки
листов трансформаторной стали
магнитопровода печного
не менее 030 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до 90 МНм2. Шпильки
изолируют от листов трансформаторной стали фибровыми бакелитовыми или
миканитовыми трубками 4 а накладки – листовым миканитом или асбестом 5.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности
трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности –
крестообразная или ступенчатая [5].
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение
стержня равно сечению ярма [pic] = [pic] а для броневого - [pic].
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая
или стеклотекстолитовая гильза закрепленная деревянными клиньями.
Толщина изолирующей гильзы [pic](м).
Внутренний диаметр изолирующей гильзы
где [pic] - коэффициент заполнения круга диаметром [pic] зависящий от
формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника
окружности описанной вокруг него).
Для квадратного сечения [pic]. Для ступенчатого сечения при числе ступеней
3 4 и 5 соответственно [p 081; 083; 085. Чем выше мощность
печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Выбрав число ступеней можно найти наивыгоднейшую ширину каждой ступени
дающую наибольшую величину для коэффициента [pic].
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки
головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т.д.) на практике при
числе ступеней больше двух приходится отступать от наивыгоднейшей (с
точки зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени [5]. В табл.
2.2 даны значения для ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня
Число Наивыгоднейшие размеры Практические размеры ступеней
ступенейступеней в долях диаметра в долях диаметра круга
круга описанного около сеченияописанного около сечения
стержня сердечника стержня сердечника
[p [p [p [p [p [p [p [p
3. Расчет геометрических размеров и
витков индуктора. Расчет геометрических размеров
Внутренний диаметр индуктора [pic] м
где [pic] - внутренний диаметр изолирующей гильзы
[pic] - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора [pic] рассчитывается на основании выражений
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего
соответствует стандартному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании
от электропечного трансформатора. Питание от сетей напряжением 6600 и 10
0 В производится только через трансформаторы.
Ток индуктора определяется по выражению
Площадь сечения проводника индуктора
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод
прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с
толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) [pic] мм или равностенная - с
толщиной стенки [pic] мм (рис. 5.3.1).
Рис. 5.3.1. Профили медной трубкиРазмеры трубки выбираются в соответствии
используемой для изготовления с сортаментом выпускаемых
индукторов промышленностью медных трубок по ГОСТ
Например по [8] табл. 5.3.1 5.3.2.
Параметры медной профилированной
трубки для индукторов промышленной частоты
Эскиз A мм B мм D мм A мм B мм D мм
[pic] 16 22 8 28 34 20
Примечание. Размер С = 10 мм для всех трубок.
Стандартный медный прямоугольный профиль
Поперечное сечение А мм В мм S мм
Радиус закругления [p 40 3; 4; 5
трубки не менее 30 м
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из
стеклоткани [pic] мм [pic] мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях –
двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее
конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума
электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие [pic] где
[pic] - радиальный размер провода индуктора [pic] - глубина
проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора определяется по
f – частота питающей сети с-1.
Осевой размер индуктора
где [pic] - осевой размер провода индуктора
[pic] - толщина межвитковой изоляции.
Рис. 5.3.2. Элемент обмотки индуктора: Осевой размер провода индуктора для
– изоляция шинки прямоугольного сечения
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки
прямоугольного сечения
где [pic] - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
По рекомендациям [45] для ориентировочной оценки [pic] используется
коэффициент заполнения индуктора [pic] где [pic] - шаг витка (рис.
По [4 ] [pic] по [5] [pic]
После выбора обмоточного провода по справочной литературе уточняются
размеры [pic] и [pic].
Наружный диаметр индуктора
Средний диаметр индуктора
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации индукционных
канальных печей установлено соотношение между осевой длиной индуктора [pic]
и длиной стержня [pic] магнитопровода печного трансформатора
По рекомендациям [45] [pic].
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора
Длина одного витка меди индуктора
Используя коэффициент [pic] определяется полная длина магнитопровода
Длина ярма магнитопровода
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа
магнитопровода рассчитываются по эскизу. Например для однофазного печного
трансформатора стержневого типа (рис.5.3.3) длина участка [pic] а длины
Рис. 5.3.3. Печной трансформатор
меди индуктора определяется по выражению
стали магнитопровода определяется по выражению
4. Расчет геометрических размеров
канальной части индукционной единицы
Диаметр проема подового камня определяется по выражению
где [pic] - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней
поверхности проема подового камня. При воздушном охлаждении подового камня
рекомендуется принимать [pic] м. При водяном охлаждении подового камня
также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного
охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка –
при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей
в нем водой для охлаждения.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода
определяется по выражению
где [pic] - толщина футеровки между каналом и проемом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина
футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и
эксплуатации индукционных канальных печей предложены рекомендации [9] по
величине [pic]. В зависимости от гидростатического давления металла в
канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может
изменяться в пределах [pic] м. Для медных сплавов и цинка [pic] м при
плавке алюминия - [pic] м. По рекомендациям [4] для современных
индукционных канальных печей отношение наружного диаметра индуктора к
внутреннему диаметру канала [pic].
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня
магнитопровода печного трансформатора определяется по выражению
где [pic] - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси
стержня магнитопровода печного трансформатора определяется по выражению
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков
рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения
канала с большей стороной (осевой размер канала [pic]) расположенной
параллельно оси индуктора (рис. 5.4.1 а б).
Рис. 5.4.1. Виды поперечных сечений каналов
Для получения наибольшего электрического коэффициента полезного действия
[pic] и коэффициента мощности [pic] размер канала в радиальном
направлении [pic] выбирается в соответствии с неравенством
где [pic] - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
Глубина проникновения тока [pic] определяется по выражению
где [pic] - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в
жидком состоянии Ом(м;
[pic] - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в
жидком состоянии Гнм; [p
[pic] - частота тока в жидком металле в канале [pic].
С ростом мощности увеличивается сечение канала т.е. возрастает его
осевой размер [pic] так как радиальный размер [pic] ограничен ([pic]).
Обычно [pic] (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала
делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей
механической мощностью.
Если по расчету получается [pic] целесообразно принять два
параллельных канала разнесенных в осевом направлении на расстояние [pic]
Связь между длиной индуктора (осевой размер индуктора [pic]) и осевым
размером канала [pic] приближенно устанавливается по величине коэффициента
заполнения каналов [45]
В зависимости от числа каналов охватывающих индуктор этот коэффициент
обычно лежит в пределах:
при одном канале [p [p
при двух каналах [p [p
при трех каналах [p [pic] [5].
Следует отметить что чаще встречаются значения [pic] соответствующие
нижним границам из диапазонов [pic]. Коэффициенты заполнения каналов
близкие к нижнему пределу берут при воздушном охлаждении индуктора а
близкие к верхнему пределу – при водяном охлаждении индуктора.
Наиболее благоприятной с электротехнической точки зрения формой канала
в продольном сечении является кольцевая форма (рис. 5.4.2 а)
повторяющая форму индуктора.
Рис. 5.4.2. Варианты исполнения верхней части подового камня
Иногда при выборе формы и размеров плавильных каналов приходится
руководствоваться в основном не электротехническими а технологическими
соображениями. Например в печах для плавки алюминия а в отдельных
случаях и цинка каналы подвержены зарастанию. Для относительного
уменьшения зарастания и удобства чистки выбирают круглое квадратное или
прямоугольное сечения каналов (рис. 5.4.1 г д е) с радиальным размером
[pic] значительно превышающим рекомендованный выражением (5.4.5). Обычно
в этих печах [pic] м и [pic]. С целью удобства чистки в продольном
сечении каналы этих печей выполняются из прямолинейных участков хотя это
и ведет к увеличению потоков рассеяния.
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения что
[pic]. Как указывалось выше число витков канала [pic] поэтому ток в
жидком металле в канале определяется по выражению
Сечение канала определяется по выражению
где [pic] - плотность тока в канале Ам2.
Для определения плотности тока в жидком металле в канале печи
используется выражение
[pic][7] Ам2 (5.4.8)
[pic] - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава
в расплавленном состоянии Ом(м.
Для некоторых металлов и сплавов значения [pic] и [pic] приведены в
табл. 4.3. Эти значения (табл. 4.3) получены на основании большого опыта
проектирования и эксплуатации индукционных канальных печей [4 5
Осевой размер канала [pic] (прямоугольное сечение канала) определяется по
Объем канала определяется через передаваемую мощность в канал печи по
Активную мощность передаваемую в канал печи можно получить исходя из
энергетической диаграммы (рис. 5.4.3).
В свою очередь мощность [pic] отличается от мощности в жидком металле (в
«чистом» виде) [pic] на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне
индукционной канальной печи.
Рис. 5.4.3. Энергетическая диаграмма индукционной канальной печи:
[pic] - активная мощность в канале печи.
Мощность потерь в меди индуктора определяется по выражению
где [pic] - активное сопротивление меди индуктора.
Активное сопротивление меди индуктора определяется по выражению
где 115 – коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по
сечению провода индуктора.
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора
где [pic] - удельные потери в стали определенной марки при индукции
соответствующей величине индукции принятой при расчете. Значение [pic]
определяется из справочной или специальной литературы например [26];
[pic] - масса стали.
Расчетное значение длины канала по средней линии определяется по
[pic] - сечение канала рассчитанное по выражению (5.4.9).
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу (рис. 5.4.4) с учетом
формулы (5.4.3) определяется по выражению
Полученные значения [pic] и [pic] должны быть достаточно близкими причем
очевидно что расхождение должно определяться неравенством [pic]. В
противном случае необходимо проводить коррекцию расчета.
Толщина наружной части футеровки канала [pic] должна быть больше толщины
футеровки между каналом и проемом подового камня [pic]. По рекомендациям
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси
стержня магнитопровода определяется по выражению
С целью возможности размещения подового камня в «окне» магнитопровода
проводится оценка соотношения размеров подового камня и «окна»
магнитопровода с использованием эскиза (рис. 5.4.4).
жидкого металла в канальной части индукционной единицы
рассчитывается с использованием размеров эскиза индукционной единицы.
металла в канале определяется по выражению
металла в ванне печи определяется по выражению
Объем ванны печи занятой жидким металлом определяется по выражению
Высота жидкого металла в ванне печи определяется по выражению
Диаметр ванны печи принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи определяется по
где [pic] - объем несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Как указывалось ранее направление электродинамических сил совпадает с
направлением потока энергии - от индуктора в канал причем создаваемое
этими силами давление равно нулю на обращенной к индуктору поверхности
канала и имеет максимальную величину на противоположной (наружной
поверхности). Максимальная величина давления почти не зависит от формы
канала. Величина давления создаваемого электродинамическими силами и
сжимающего металл в закрытых каналах определяется по выражениям [4]:
или [pic]атм. (5.4.23)
Силами противодействующими электродинамическому сжатию в закрытых
каналах являются гидростатическое давление металла в канале и
атмосферное давление на поверхность зеркала металла в ванне.
Возможность пережатия металла в канале будет исключена если
противодействующие силы создают давление большее чем давление созданное
электродинамическими силами.
Рис. 5.4.4. Эскиз канальной части индукционной печи
5. Расчет электрических параметров индукционной
канальной печи. Определение мощности конденсаторной батареи
необходимой для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части реактивное сопротивление
расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по
при [pic] [pic] Ом (5.5.1)
где [pic] - длина (по средней линии) пути тока канальной части
ограниченной стенками канала м;
[pic] - длина (по средней линии) пути тока канальной части не
ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение
осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный
металл или сплав т.е. предполагается что радиальный размер канала
По [8] активное сопротивление канала можно определить
[pic] - коэффициент учитывающий неравномерное распределение
переменного тока по сечению канала.
Коэффициент [pic] зависит от [pic]
размеров сечения канала от
частоты тока и удельного
сопротивления металла. Для
каналов круглого овального и
прямоугольного сечений с
отношением сторон не более 3 : 1
[pic] определяют из
графика рис.5.5.18 а по
Рис. 5.5.1. Графики для определения
поправочного коэффициента
Для каналов овального или прямоугольного сечений с отношением сторон
более 3 : 1 [pic] определяют из графика рис. 5.5.1 б по
где [pic] - ширина канала м.
Приведенное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале
рассчитывается аналогично приведенному сопротивлению вторичной обмотки
трансформатора по выражению
Активно сопротивление нагруженного индуктора определяется по выражению
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора определяется по
расчетно-эмпирической формуле [89]
[pic] - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы
[pic] - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного
сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора [pic] и канала
Индуктивное сопротивление системы индуктор – канал возрастает с
уменьшением отношения ее поперечного сечения к ее длине. Индуктивность
системы тем больше чем больше поток рассеяния который растет с
увеличением площади пространства между индуктором и каналом что и
учитывается в выражении (5.5.6) произведением [pic].
Средний (расчетный) диаметр зазора определяется по выражению
где [pic] - расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси
стержня магнитопровода;
[pic] - наружный диаметр индуктора.
Приведенное расстояние между индуктором и каналом определяется по
[pic] - радиальный размер канала.
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор –
канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно
пропорциональна его высоте т.е. его осевому размеру [pic]. Конечная длина
системы индуктор – канал учитывается коэффициентом Роговского который
рассчитывается по выражению [89]
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров
индуктора [pic] и канала [pic]. Это учитывается в выражении (5.5.6)
коэффициентом [pic] который определяется по выражению
Полное сопротивление нагруженного индуктора определяется по выражению
Коэффициент мощности печи определяется по выражению
Полная мощность индуктора определяется по выражению
Активная мощность индуктора определяется по выражению
После проведения расчетов [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
необходимо сравнить полученные результаты с принятыми и рассчитанными ранее
значениями этих величин .
После первого цикла расчетов необходимо провести коррекцию т.к. в
начале расчета многие характеристики и коэффициенты задаются исходя из
рекомендаций полученных на основании опыта проектирования и расчета
индукционных канальных печей.
Коррекция расчета может быть связана с изменением числа витков и
размеров индуктора размеров магнитопровода и канальной части индукционной
Как правило индукционные канальные печи оснащаются батареями
косинусных конденсаторов необходимых для повышения коэффициента мощности
до заданной величины. Обычно коэффициент мощности индукционной канальной
печи с учетом компенсации равен [pic].
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения
коэффициента мощности до заданной величины определяется по выражению
где [pic] - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности
индукционной канальной печи;
[pic] - соответствует заданному коэффициенту мощности.
После определения [pic] используя справочную литературу [25]
подбирается соответствующий конденсатор.
Электрический коэффициент полезного действия рассчитывается по выражению
где [pic] - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали
Тепловой коэффициент полезного действия печи определяется по выражению
Более точно тепловой коэффициент полезного действия печи может быть
получен на основании теплового расчета. Если по тепловому расчету значение
[pic] окажется ниже значения [pic] определенного по (5.5.18) то это
означает что реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп.
Л.И.Иванова Л.С.Гробова Б.А.Сокунов. Екатеринбург: Изд-во
УГТУ - УПИ 2002. 105 с.
Электротермические установки: Учебное пособие Б.А.Сокунов
Л.С.Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 2004. 122 с.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для
вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия 1967. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и
сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1968. 496 с.
Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.:
Металлургия 1974. 248 с.: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи
цветной металлургии. М.: Металлургия 1971. 320 с.
Фомин Н.И. Затуловский Л.М. Электрические печи и установки
индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов
А.Е.Слухоцкий В.С.Немков Н.А.Павлов А.В.Бамунэр; Под ред
А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат Ленинградское отд-ние 1981. 328
Индукционные печи для плавки чугуна Б.П.Платонов А.Д.Акименко
С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов
И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич Н.М.Некрасова А.Д.Свенчанский; Под ред.
А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат 1982.
Болотов А.В. Шепель Г.А. Электротехнологические установки:
Учебник для вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.:
Высш. шк. 1988. 336 с.: ил.
Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965.
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин
Н.А.Смирягина А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.:
Металлургия 1974. 488 с.: ил.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред.
Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по
черной и цветной металлургии 1961. 872 с.: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-
справочное руководство. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Наука. Гл.
ред. физ.-мат. лит. 1988. 432 с.: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок:
Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкий и др.; Под ред.
А.П.Альтгаузена М.Д.Бершицкого М.Я.Смелянского В.М.Эдемского.
М.: Энергия 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических
цепей: Учебник. М.: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. 304
Электротермическое оборудование: Справочник Под общей ред.
А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки
цветных металлов и сплавов. М.: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной
металлургии. М.: Металлургия 1984. 232 с.: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред.
Шевцова М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.:
Энергоатомиздат 1983. 120 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник
В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред.
Г.С.Кучинского. М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с.: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов
И.П.Копылов Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.; Под ред.
И.П.Копылова. М.: Энергия 1980. 496 с.: ил.
[1] По [18] 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» - [pic] в практических расчетах [pic]. По [14] 1Дж = [pic]
[2] Значение коэффициента полезного действия уточняется после расчета.
[3] Энтальпия – тепловая функция теплосодержание [5 8 13 18]
[4] Значение коэффициента мощности уточняется после расчета.
Следует отметить что с ростом мощности индукционной единицы значение
коэффициента мощности уменьшается.
[5] Низкое значение [pic] связано с большим сечением канала у крупных и
особенно двухкамерных печей [pic] может быть еще ниже.
[6] Выражение (5.2.1) получено следующим образом:
[7] Выражение (5.4.8) получено следующим образом:
[p [p [pic] ( [pic][pic]

контрольная.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ»
Кафедра электротехники и электротехнологических систем
по источникам вторичного электропитания
Для схемы активно-индуктивной нагрузки R и L (последовательное
соединение) частотой тока f рассчитать емкость компенсирующей
конденсаторной батареи чтобы угол между током и напряжением цепи нагрузки
Для схемы активно-индуктивной нагрузки с параметрами нагрузки R и L
(последовательное соединение) рассчитать емкость последовательной
конденсаторной батареи для создания режима резонанса что собственная
резонансная частота цепи нагрузки равнялась f.
Рассчитать переходный процесс в резонансной цепи п.3 при подаче на
вход U=100В. Построить временную диаграмму тока указать параметры
переходного процесса амплитуды первых положительной и отрицательной

ЭТУС(ИКП)С РАЗМЕРАМИ.cdw

Индукционная канальная печь

Титульный.docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УрФУ»
94985187325Кафедра «Электротехника и электротехнологические системы».
по дисциплине « Электрические машины»
на тему «Расчёт силового трансформатора»
Пояснительная записка
Руководитель проекта Кошкин А.Н.
Студент Бекленищев А. А.

Готовая печь канальная.doc

1. Определение емкости печи.
Характеристики латуни Л63
Температура плавления .. [pic]С
Температура разливки .. [pic]
Плотность при [pic]С . [pic] кгм3
Плотность в жидком состоянии .. [pic] кгм3
Удельное сопротивление при [pic]С . [pic] Ом(м
Удельное сопротивление в жидком состоянии . [pic] Ом(м
Теплоемкость в диапазоне температур [pic]С [pic]ккалкг(град
Теплоемкость в диапазоне температур
[pic]С .. [pic]ккалкг(град
Скрытая теплота плавления . [pic] ккалкг
Удельное теплосодержание при температуре
[pic]С . [pic] Джкг
Энтальпия при температуре [pic]С.. .. [pic]Вт(чкг.
Химический состав латуни Л63 по ГОСТ 15527-70
Марка Компоненты % Примеси % не более
Медь Цинк Свинец Железо Сурьма Висмут Фосфор Всего
(Cu) (Zn) (Pb) (Fe) (Sb) (Bi) (P)
Примечание. Для антимагнитных сплавов содержание железа не долж-
но превышать 003. Примеси не указанные в таблице
тываются в общей сумме примесей. Содержание примеси
никеля (Ni) допускается до 05 % за счет содержания
Определение остаточной емкости (емкости болота) индукционной
Принимаем [pic] тогда
Определение полезной емкости печи.
Определение ориентировочного объема жидкого металла в ванне печи.
Значение плотности сплава Л-63 в горячем состоянии принято [pic]
Определение количества тепла необходимого для нагрева сплава Л63
массой [pic]т при теплоемкости [pic] от начальной температуры [pic] до
температуры плавления [pic]
Определение количества тепла необходимого для перевода сплава Л63
массой [pic]т при температуре плавления [pic] в расплавленное состояние при
скрытой теплоте плавления [pic]г.
Определение количества тепла необходимого для доведения
сплава Л63 массой [pic]т при теплоемкости [pic] от температуры плавления
[pic] до температуры разливки [pic]
Определение количества тепла теоретически необходимого для
расплавления и доведения до температуры разливки сплава массой [pic] т.
Определение количества тепла необходимого для поддержания
температуры массы сплава Л63 [pic]т на уровне [pic]
Полученное значение [pic] составляет всего 378 % от общего количества
тепла необходимого для расплавления и доведения до температуры разливки
массы сплава Л63 [pic] т. Поэтому многие авторы не учитывают в расчетах
количество тепла необходимого для поддержания температуры массы металла
или сплава [pic] на уровне [pic].
Определение количества тепла необходимого для расплавления и
доведения до температуры разливки массы сплава Л63 [pic]т
Определение подводимой к печи активной мощности.
Коэффициент полезного действия индукционной канальной печи
предназначенной для расплавления сплава Л63 принимается ориентировочно
Исходя из опыта проектирования и эксплуатации индукционных канальных
печей принимаем для рассчитываемой печи производительность [pic]
тсутки. Длительность нагрева и подогрева жидкого металла [pic]
часа длительность разливки загрузки чистки и т.д. [pic] час.
Число плавок в сутки
Подводимая к печи активная мощность
Удельный расход электроэнергии при плавке латуни Л-63 [5] составляет
По результатам расчета удельный расход электроэнергии
что соответствует данным.
Полученное значение подводимой к печи активной мощности меньше
0 кВт поэтому число индукционных единиц принимается равным [pic] число
Величина активной мощности индукционной единицы
Определение полезной активной мощности и подводимой к печи
активной мощности при условии что известна величина удельного
теплосодержания латуни Л63 [pic] Джкг при температуре разливки [pic] .
В технической литературе для упрощения технических расчетов
теплосодержание тела не редко принимается равным нулю не при абсолютном
Величина начального теплосодержания [pic] при начальной температуре
[pic] незначительна и ею пренебрегают при ориентировочных расчетах.
Значения коэффициентов мощности индукционных канальных печей
Металл или Томпак ПолутомЛатунь Бронза Медно-ник
сплав Медь (90 % пак (675 %(93 % Си 3 % елевые
Си и 20(80 % Си и Zn и сплавы
% Zn) Си и 20325 % 4 % Sn )
Удельная (4 ÷ 6)106 - в
мощность в (40 ÷ (50 ÷ (30 ÷ (50 ÷ печах с (40 ÷
канале печи50)106 60)106 40)106 80)106 вертикальными 50)106
Втм3 (12 ÷15)106 - в
Плотность 15 10 10 вертикальными режиме
тока в каналами; миксера;
канале печи 10 – в печах с 80 – в
[pic] горизонтальными плавильно
Амм2 каналами м режиме
Таблица 4 Таблица 5
Удельный расход электроэнергии Удельный расход электроэнергии
при плавке при плавке
металлов и сплавов в металлов и сплавов в индукционной
канальной печи [4] канальной печи [6]
Металл или Удельный расход Металл или сплав Удельный расход
сплав электроэнергии электроэнергии
[pic] кВт·чт [pic] кВт·чт
Алюминиевые 400 – 500 Медь 270 – 330
Медь 280 – 380 Томпак (90 % Сu +230 – 270
Томпак 240 – Латунь (675 % Сu190 – 240
Полутомпак 220 – 260 Бронза (93 % Сu +280 – 330
Латунь Л68 200 – 240 Алюминий 350 – 500
Латунь Л62 180 – 220 Цинк 90 – 120
Бронза 280 – 300 30 – 35 – в
оловянная Чугун режиме миксера
Бронза 280 – 320 400 – 500 – в
алюминиевая плавильном
Медноникелевые 300 – 320
Мельхиор [2] 350 – 380
Определение подводимой к печи активной мощности при условии
что известна величина энтальпии латуни Л63 [pic]при температуре разливки
Величина активной мощности индукционной единицы [pic] кВт.
Определение полной мощности печи
Коэффициент мощности индукционной канальной печи предназначенный для
расплавления сплава Л63 принимается ориентировочно равным [pic].
При соответствующей активной мощности полная мощность печи:
[pic] кВА [pic] кВА [pic] кВА.
Так как в печи используется одна индукционная единица то полная
мощность индукционной единицы равна полной мощности печи [pic].
Полученное значение полной мощности индукционной канальной печи
позволяет подобрать типовой электропечной трансформатор с номинальной
мощностью [pic] кВ(А. Тип трансформатора ЭПОМ-350 число фаз – 1
напряжение первичное 6 или 10 кВ вторичное – 414 – 298 В.
Расчет индукционной единицы
Расчет индукционной единицы включает в себя расчет печного
трансформатора индуктора и канала печи.
Предварительная оценка сечения
магнитопровода печного трансформатора
Исходя из предположения что напряжение индуктора печи [pic] равно
электродвижущей силе индуктора печи [pic] и используя известные выражения
определяется поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора.
[pic]– частота питающей сети Гц. Все индукционные канальные печи
работают при частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД
системы индуктор – канал может быть обеспечен на этой частоте при любом
удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия
[pic]([pic] - радиальный размер канала печи [pic] - глубина проникновения
тока в расплавленный металл);
[pic] – магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора
Тл (Тл = Bбм2). Допустимую величину магнитной индукции В в
магнитопроводе печного трансформатора ввиду тяжелых условий работы
принимают меньшей чем в обычных силовых трансформаторах. Например для
электротехнической стали 1511 величина [p
[pic]– плотность тока в индукторе Ам2. При воздушном охлаждении
индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном
охлаждении должна быть не более 20 МАм2;
[pic]– поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора м2.
На основании опыта проектирования и эксплуатации индукционных
канальных печей и с учетом качества материала межвитковой изоляции
индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора
принимается 6 – 7 В на один виток на малых печах и 12 – 20 В на один виток
– на больших печах. Межвитковое напряжение принимается 7 – 10 В на один
Таким образом ориентировочное значение величины сечения
магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком
Расчет поперечного сечения
При введении дополнительных коэффициентов и обозначений поперечное
сечение магнитопровода определяется по выражению
[pic] - коэффициент зависящий от отношения массы стали [pic]
печного трансформатора к массе меди [pic] обмотки индуктора.
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и [pic]
величины [pic] и [pic] обозначают соответственно длину одного витка
индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчете приняты значения плотности электротехнической стали [pic]
кгм3 плотности меди обмотки [pic] кгм3 что соответствует коэффициенту
1 в определении коэффициента С. Исходя из практических результатов
принято для однофазного броневого трансформатора [pic] для стержневого
трансформатора [p для трехфазного
броневого пятикернового [pic].
При принудительном воздушном охлаждении индуктора [p при водяном
охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк [p для печей-
накопителей чугунолитейных цехов [pic].
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учетом межлистовой
где [pic] - коэффициент заполнения сталью.
Значения [pic] в зависимости от толщины стального листа и от вида
изоляции приведены в табл. 6.
Значения коэффициента заполнения сталью
Коэффициент заполнения сталью [pic]
Толщина стального Толщина стального
листа 035 мм листа 050 мм
Лаковая изоляция толщиной
1 мм 090 ÷ 091 092 ÷ 093
Оксидированное покрытие 093 095
Магнитопровод печного трансформатора изготовляется из листовой
электротехнической стали ярмо выполняется съемным в связи с необходимостью
регулярной сборки и разборки.
[pic] Для устранения нагрева в месте стыка прижимное
ярмо отделяется от стержней изолирующими
прокладками толщиной 025 – 05 мм из
электрокартона или миканита.
На рис. 1 показан применяемый способ стяжки листов
трансформаторной стали ярма и стержней. Пакет
магнитопровода 1 сжимается накладками 2 из
немагнитного металла с помощью стальных
шпилек 3. Диаметр шпилек выбирается в пределах 12
– 16 мм а расстояние между ними обычно составляет
0 – 240 мм. Среднее давление сжатия листов
Рис. 1. Способ стяжки
листов трансформаторной
стали магнитопровода
печного трансформатора
не менее 030 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до
МНм2. Шпильки изолируют от листов трансформаторной стали
фибровыми бакелитовыми или миканитовыми трубками 4 а накладки – листовым
миканитом или асбестом 5.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности
трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности –
крестообразная или ступенчатая.
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение
стержня равно сечению ярма [pic] = [pic] а для броневого - [pic].
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая
или стеклотекстолитовая гильза закрепленная деревянными клиньями. Толщина
изолирующей гильзы [pic](м).
Внутренний диаметр изолирующей гильзы
где [pic] - коэффициент заполнения круга диаметром [pic] зависящий от
формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника
окружности описанной вокруг него).
Для квадратного сечения [pic]. Для ступенчатого сечения при числе
ступеней 2 3 4 и 5 соответственно [p 081; 083; 085. Чем выше
мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Выбрав число ступеней можно найти наивыгоднейшую ширину каждой
ступени дающую наибольшую величину для коэффициента [pic].
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки
головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т.д.) на практике при
числе ступеней больше двух приходится отступать от наивыгоднейшей (с точки
зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени. В табл. 7 даны
значения для ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня
ступенНаивыгоднейшие размеры ступеней Практические размеры ступеней
ей в долях диаметра круга в долях диаметра круга
описанного около сечения стержняописанного около сечения
сердечника стержня сердечника
[p [p [p [p [p [p [p [p
Для расчета принимаем: печной однофазный трансформатор стержневого
типа (рис. 2) максимальное значение индукции [pic] Тл коэффициент
мощности [pic] (из примера 1) охлаждение индуктора водяное плотность тока
в индукторе [pic] Ам2 значение коэффициентов [pic].
Определение поперечного сечения магнитопровода печного
трансформатора без учета межлистовой изоляции по.
Подставив заданные значения получаем [pic]
[pic]= [pic] м2. Рис.2. Внешний вид печного
трансформатора стержневого типа
Определение поперечного сечения
магнитопровода печного трансформатора с с индуктором:
учетом межлистовой изоляции по. 1 – магнитопровод; 2 –
Для расчета принимаем коэффициент кронштейны для крепления
заполнения сталью [pic] соответствующий трансформатора на каркасе
толщине листа электротехнической стали 05 подового камня; 3 – ось
мм с оксидированным покрытием. поворота ярма; 4 – ярмо
Значение магнитопровода; 5 – узел для
прижатия ярма к стержням; 6 –
Это значение соответствует ориентировочномуизоляционная прокладка; 8 –
значению величины сечения магнитопровода катушка индуктора; 9 –
печного трансформатора при межвитковом изолирующий цилиндр; 10 –
напряжении 7 – 10 В на один виток. Для изоляционный брус; 11 – узел
однофазного печного трансформатора для стяжки индуктора
стержневого типа [pic]м2.
Определение внутреннего диаметра изолирующей гильзы производится
При расчете внутреннего диаметра изолирующей гильзы принимаем
ступенчатое сечение стержня магнитопровода печного трансформатора с числом
Практические размеры ступеней стержня магнитопровода рассчитанные по
данным табл. 3.10 равны [pic] м [pic] м [pic] м [pic] м.
Для последующих расчетов принимается изолирующая гильза из
стеклотекстолита с толщиной стенки [pic] мм.
Расчет геометрических размеров и числа
витков индуктора. Расчет геометрических размеров
Внутренний диаметр индуктора [pic] м
где [pic] - внутренний диаметр изолирующей гильзы
[pic] - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора [pic]
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего
соответствует стандартному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании
от электропечного трансформатора. Питание от сетей напряжением 6600 и 10
0 В производится только через трансформаторы.
Ток индуктора определяется по выражению
Площадь сечения проводника индуктора
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод
прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с
толщиной рабочей стенки (обращенной к каналу) [pic] мм или равностенная - с
толщиной стенки [pic] мм (рис. 3.).
Рис. 3. Профили медной трубки Размеры трубки выбираются в соответствии
используемой для изготовления с сортаментом выпускаемых
индукторов промышленностью медных трубок по ГОСТ
Параметры медной профилированной
трубки для индукторов промышленной частоты
Эскиз A мм B мм D мм A мм B мм D мм
[pic] 16 22 8 28 34 20
Примечание. Размер С = 10 мм для всех трубок.
Стандартный медный прямоугольный профиль
Поперечное сечение А мм В мм S мм
Радиус закругления [p 40 3; 4; 5
трубки не менее 30 м
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из
стеклоткани [pic] мм [pic] мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях –
двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее
конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума
электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие [pic] где
[pic] - радиальный размер провода индуктора [pic] - глубина
проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора определяется по
f – частота питающей сети с-1.
Осевой размер индуктора
где [pic] - осевой размер провода индуктора
[pic] - толщина межвитковой изоляции.
Рис. 4. Элемент обмотки индуктора:
– изоляция Осевой размер провода индуктора для
– медная трубка шинки прямоугольного сечения
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки
прямоугольного сечения
где [pic] - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
Для ориентировочной оценки [pic] используется коэффициент заполнения
индуктора [pic] где [pic] - шаг витка
После выбора обмоточного провода по справочной литературе уточняются
размеры [pic] и [pic].
Наружный диаметр индуктора
Средний диаметр индуктора
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации индукционных
канальных печей установлено соотношение между осевой длиной индуктора [pic]
и длиной стержня [pic] магнитопровода печного трансформатора
По рекомендациям [2 3] [pic].
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора
Длина одного витка меди индуктора
Используя коэффициент [pic] определяется полная длина магнитопровода
Длина ярма магнитопровода
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа
магнитопровода рассчитываются по эскизу. Например для однофазного печного
трансформатора стержневого типа длина участка [pic] а длины участков
Масса меди индуктора определяется по выражению
стали магнитопровода определяется по выражению
Внутренний диаметр индуктора
Напряжение на индукторе принимаем равным стандартному [pic] В.
Принимаем [pic] витка.
Глубина проникновения тока в материал индуктора
Значение удельного сопротивления материала индуктора (медь) [pic] Ом(м
Оценка величины радиального размера [pic] провода индуктора по
В качестве провода индуктора принимаем медную трубку прямоугольного
сечения с размерами: радиальный [pic] мм осевой - - [pic]
мм и толщиной стенки 2 мм.
Сечение меди [pic] индуктора определяется
Предварительная оценка толщины межвитковой изоляции приходящейся
на один виток индуктора производится с использованием коэффициента
заполнения индуктора [pic].
Для расчета принимаем [pic].
Принимаем [pic] = 1 мм.
Принимаем для расчета [pic].
Полная длина магнитопровода
Длины отдельных участков
магнитопровода определяются:
Рис. 5. Печной трансформатор
стержневого типа [p
стали магнитопровода
Оценка значения коэффициента [pic]
Исходное значение [pic].
Расхождение между значением коэффициента [pic] и полученным по
результатам расчета составляет 121 % что вполне приемлемо.
Расчет геометрических размеров
канальной части индукционной единицы
Диаметр проема подового камня определяется по выражению
где [pic] - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней
поверхности проема подового камня. При воздушном охлаждении подового камня
рекомендуется принимать [pic] м. При водяном охлаждении подового камня
также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного
охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка –
при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей
в нем водой для охлаждения.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода
определяется по выражению
где [pic] - толщина футеровки между каналом и проемом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина
футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и
эксплуатации индукционных канальных печей предложены рекомендации [7] по
величине [pic]. В зависимости от гидростатического давления металла в
канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может
изменяться в пределах [pic] м. Для медных сплавов и цинка [pic] м при
плавке алюминия - [pic] м. По рекомендациям [2] для современных
индукционных канальных печей отношение наружного диаметра индуктора к
внутреннему диаметру канала [pic].
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня
магнитопровода печного трансформатора определяется по выражению
где [pic] - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси
стержня магнитопровода печного трансформатора определяется по выражению
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков
рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения
канала с большей стороной (осевой размер канала [pic]) расположенной
параллельно оси индуктора (рис. 6).
Рис.6. Виды поперечных сечений каналов
Для получения наибольшего электрического коэффициента полезного
действия [pic] и коэффициента мощности [pic] размер канала в радиальном
направлении [pic] выбирается в соответствии с неравенством
где [pic] - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
Глубина проникновения тока [pic] определяется по выражению
где [pic] - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в
жидком состоянии Ом(м;
[pic] - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в
жидком состоянии Гнм; [p
[pic] - частота тока в жидком металле в канале [pic].
С ростом мощности увеличивается сечение канала т.е. возрастает его
осевой размер [pic] так как радиальный размер [pic] ограничен ([pic]).
Обычно [pic] (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала
делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей
механической мощностью.
Если по расчету получается [pic] целесообразно принять два
параллельных канала разнесенных в осевом направлении на расстояние [pic]
Связь между длиной индуктора (осевой размер индуктора [pic]) и осевым
размером канала [pic] приближенно устанавливается по величине коэффициента
В зависимости от числа каналов охватывающих индуктор этот
коэффициент обычно лежит в пределах:
при одном канале [p [p
при двух каналах [p [p
при трех каналах [p [pic] .
Следует отметить что чаще встречаются значения [pic] соответствующие
нижним границам из диапазонов [pic]. Коэффициенты заполнения каналов
близкие к нижнему пределу берут при воздушном охлаждении индуктора а
близкие к верхнему пределу – при водяном охлаждении индуктора.
Наиболее благоприятной с электротехнической точки зрения формой
канала в продольном сечении является кольцевая форма (рис. 7) повторяющая
Рис. 7. Варианты исполнения верхней части подового камня
Иногда при выборе формы и размеров плавильных каналов приходится
руководствоваться в основном не электротехническими а технологическими
соображениями. Например в печах для плавки алюминия а в отдельных случаях
и цинка каналы подвержены зарастанию. Для относительного уменьшения
зарастания и удобства чистки выбирают круглое квадратное или прямоугольное
сечения каналов с радиальным размером [pic] значительно превышающим
рекомендованный выражением. Обычно в этих печах [pic] м и [pic]. С целью
удобства чистки в продольном сечении каналы этих печей выполняются из
прямолинейных участков хотя это и ведет к увеличению потоков рассеяния.
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения
что [pic]. Как указывалось выше число витков канала [pic] поэтому ток в
жидком металле в канале определяется по выражению
Сечение канала определяется по выражению
где [pic] - плотность тока в канале Ам2.
Для определения плотности тока в жидком металле в канале печи
используется выражение
[pic] - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в
расплавленном состоянии Ом(м.
Осевой размер канала [pic] (прямоугольное сечение канала) определяется
Объем канала определяется через передаваемую мощность в канал печи по
Активную мощность передаваемую в канал печи можно получить исходя из
энергетической диаграммы.
В свою очередь мощность [pic] отличается от мощности в жидком металле
(в «чистом» виде) [pic] на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне
индукционной канальной печи.
Рис. 8. Энергетическая диаграмма индукционной канальной печи:
[pic] - активная мощность в канале печи.
Мощность потерь в меди индуктора определяется по выражению
где [pic] - активное сопротивление меди индуктора.
Активное сопротивление меди индуктора определяется по выражению
где 115 – коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по
сечению провода индуктора.
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора определяется
где [pic] - удельные потери в стали определенной марки при индукции
соответствующей величине индукции принятой при расчете. Значение [pic]
определяется из справочной или специальной литературы например
[pic] - масса стали.
Расчетное значение длины канала по средней линии определяется по
где [pic] - объем канала
[pic] - сечение канала
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу определяется по
Полученные значения [pic] и [pic] должны быть достаточно близкими
причем очевидно что расхождение должно определяться неравенством [pic]. В
противном случае необходимо проводить коррекцию расчета.
Толщина наружной части футеровки канала [pic] должна быть больше
толщины футеровки между каналом и проемом подового камня [pic]. По
рекомендациям [pic] м.
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси
стержня магнитопровода определяется по выражению
С целью возможности размещения подового камня в «окне» магнитопровода
проводится оценка соотношения размеров подового камня и «окна»
металла в канале определяется по выражению
металла в ванне печи определяется по выражению
Объем ванны печи занятой жидким металлом определяется по выражению
Высота жидкого металла в ванне печи определяется по выражению
Диаметр ванны печи принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи определяется по
где [pic] - объем несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Как указывалось ранее направление электродинамических сил совпадает с
направлением потока энергии - от индуктора в канал причем создаваемое
этими силами давление равно нулю на обращенной к индуктору поверхности
канала и имеет максимальную величину на противоположной (наружной
поверхности). Максимальная величина давления почти не зависит от формы
канала. Величина давления создаваемого электродинамическими силами и
сжимающего металл в закрытых каналах определяется по выражениям :
Силами противодействующими электродинамическому сжатию в закрытых
каналах являются гидростатическое давление металла в канале и атмосферное
давление на поверхность зеркала металла в ванне.
Возможность пережатия металла в канале будет исключена если
противодействующие силы создают давление большее чем давление созданное
электродинамическими силами.
Рис. 9. Эскиз канальной части индукционной печи
Рассчитать геометрические размеры канальной части индукционной
При расчете принимается расстояние от наружной поверхности
индуктора до внутренней поверхности проема подового камня [pic]м.
При расчете принимается толщина футеровки [pic] м.
Оценим правомерность выбранных [pic] и [pic]. [pic] что соответствует
Для расчета принимается величина удельного сопротивления сплава Л63
в жидком состоянии [pic] Ом(м.
Радиальный размер канала индукционной единицы
В аналогичных индукционных канальных печах применяются каналы сечением
Удельное сопротивление некоторых
металлов и сплавов в жидком состоянии
Металл или сплав Химический состав % сопротивление
Латунь 30-33 остальное Cu [pic]
Латунь 395 – 366 остальное Cu [pic]
Томпак 10 90 Cu [pic]
Мельхиор специальный 80 20 Ni [pic]
Алюминий 100 Al [pic]
Марганцовистая бронза Cu – 58; [pic]
Фосфористая бронза Cu – 93; [pic]
Никель Ni – 100 [pic]
Цинк Zn – 100 [pic]
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне
горизонтальной оси стержня магнитопровода печного трансформатора
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне
Ток в канале индукционной единицы определяется
Плотность тока в жидком металле в канале печи
Значение удельной мощности в канале печи [pic] Втм3
Плотность тока в жидком металле в канале печи при плавке латуни
составляет [pic] Ам2.
Рассчитанное значение близко к рекомендуемому.
Осевой размер канала индукционной единицы
Отношение осевого размера канала к радиальному [pic].
Так как [pic] целесообразно принять два параллельных канала
разнесенных в осевом направлении на расстояние [pic] м.
Осевой размер каждого канала [pic] м.
Отношение осевого размера канала к осевому размеру индуктора [pic]
Активное сопротивление меди индуктора
Мощность потерь в меди индуктора
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора
Значение удельных потерь в стали магнитопровода принято
Активная мощность передаваемая в канал печи
Объем двух каналов печи
Длина канала по средней линии
Минимальная длина канала
Размеры отдельных участков канала печи определяются с
использованием эскиза печи
Длина участка [pic] м длина участка [pic] м длина участка [pic] м.
Полная длина канала по средней линии
стержня магнитопровода
С учетом неравенства [pic] принимаем [pic] м.
Оценка соотношения размеров подового камня и «окна» магнитопровода
проводится с целью возможности размещения подового камня в «окне»
магнитопровода. Используя результаты расчета длин отдельных участков
магнитопровода определяется расстояние между участками [pic] и [pic]
Расстояние от горизонтальной оси стержня магнитопровода до наружной
стенки подового камня по вертикальной оси
Длина части подового камня размещенная в «окне» магнитопровода
Расчеты показывают что [pic]. Подовый камень может быть размещен в
«окне» магнитопровода.
металла в канальной части печи определяется с использованием
металла в ванне печи
Объем ванны печи занятой жидким металлом
Высота жидкого металла в ванне печи
Диаметр ванны печи [pic] м принят исходя из эскиза
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи
несливаемой части жидкого металла в ванне печи
Объем несливаемой части жидкого металла
Давление создаваемое электродинамическими силами (радиальными) в
Полученное значение меньше атмосферного давления поэтому нет
необходимости увеличения высоты жидкого металла в ванне печи.
Расчет электрических параметров
индукционное канальной печи. Определение
мощности конденсаторной батареи необходимой
для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части реактивное сопротивление
расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по
где [pic] - длина (по средней линии) пути тока канальной части
ограниченной стенками канала м;
[pic] - длина (по средней линии) пути тока канальной части не
ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение
осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный
металл или сплав т.е. предполагается что радиальный размер канала
Активное сопротивление канала можно определить
[pic] - коэффициент учитывающий неравномерное распределение
переменного тока по сечению канала.
Коэффициент [pic] зависит от
размеров сечения канала от
частоты тока и удельного
сопротивления металла. Для
каналов круглого овального и
прямоугольного сечений с
отношением сторон не более 3 :
[pic] определяют из
графика рис. 10 а по
Рис. 10. Графики для определения
поправочного коэффициента
Для каналов овального или прямоугольного сечений с отношением сторон
более 3 : 1 [pic] определяют из графика рис. 10 б по аргументу
где [pic] - ширина канала м.
Приведенное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале
рассчитывается аналогично приведенному сопротивлению вторичной обмотки
трансформатора по выражению
Активно сопротивление нагруженного индуктора определяется по выражению
где [pic] - активное сопротивление меди индуктора
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора определяется по
расчетно-эмпирической формуле [6 7]
[pic] - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы
[pic] - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного
сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора [pic] и канала
Средний (расчетный) диаметр зазора определяется по выражению
где [pic] - расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси
[pic] - наружный диаметр индуктора
Приведенное расстояние между индуктором и каналом определяется по выражению
[pic] - радиальный размер канала.
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор –
канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно
пропорциональна его высоте т.е. его осевому размеру [pic]. Конечная длина
системы индуктор – канал учитывается коэффициентом Роговского который
рассчитывается по выражению [6 7]
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров
индуктора [pic] и канала [pic]. Это учитывается в выражении (3.73)
коэффициентом [pic] который определяется по выражению
Полное сопротивление нагруженного индуктора определяется по выражению
Коэффициент мощности печи определяется по выражению
Полная мощность индуктора определяется по выражению
Активная мощность индуктора определяется по выражению
После проведения расчетов [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
необходимо сравнить полученные результаты с принятыми и рассчитанными ранее
значениями этих величин.
После первого цикла расчетов необходимо провести коррекцию т.к. в
начале расчета многие характеристики и коэффициенты задаются исходя из
рекомендаций полученных на основании опыта проектирования и расчета
индукционных канальных печей.
Коррекция расчета может быть связана с изменением числа витков и
размеров индуктора размеров магнитопровода и канальной части индукционной
Как правило индукционные канальные печи оснащаются батареями
косинусных конденсаторов необходимых для повышения коэффициента мощности
до заданной величины. Обычно коэффициент мощности индукционной канальной
печи с учетом компенсации равен [pic].
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения
коэффициента мощности до заданной величины определяется по выражению
где [pic] - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности
индукционной канальной печи;
[pic] - соответствует заданному коэффициенту мощности.
После определения [pic] используя справочную литературу подбирается
соответствующий конденсатор.
Электрический коэффициент полезного действия рассчитывается по
где [pic] - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали
Тепловой коэффициент полезного действия печи определяется по выражению
Более точно тепловой коэффициент полезного действия печи может быть
получен на основании теплового расчета. Если по тепловому расчету значение
[pic] окажется ниже значения [pic] определенного по (3.85) то это
означает что реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
Рассчитать электрические параметры индукционной канальной печи.
Определить ток мощность электрический и тепловой коэффициенты полезного
действия печи. Определить мощность конденсаторной батареи необходимой для
повышения коэффициента мощности печи.
Активное сопротивление канальной части определяется учитывая что
Активное сопротивление нагруженного индуктора
Приведенное сопротивление жидкого металла или сплава в канальной части
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора
Средний (расчетный) диаметр зазора
Приведенное расстояние между индуктором и каналом
Коэффициент Роговского
Полное сопротивление нагруженного индуктора
Коэффициент мощности печи
Следует отметить что полученное значение [pic] находится в пределах
рекомендуемого значения [pic].
Ток индуктора определяется
Полная мощность индуктора определяется
[pic] В(А [pic] кВ(А.
Активная мощность индуктора определяется
Полученные значения тока и мощности превышают ранее рассчитанные
значения тока и мощности. Принятый электропечной трансформатор не сможет
обеспечить соответствующее питание индукционной канальной печи.
Одним из способов снижения тока является изменение сопротивления
канала за счет увеличения его длины например за счет увеличения участков
Принимаем для расчета [pic] м тогда [pic] м.
Активное сопротивление канала
Приведенное сопротивление канала
Коэффициент мощности индуктора [pic].
Полная мощность индуктора
Активная мощность индуктора
Полученное значение активной мощности не превышает 300 кВт поэтому
число индукционных единиц [pic] и число фаз [pic] остается таким же как и
в примере 1 ([pic]).
Активная мощность индуктора ([pic] кВт) превышает значение активной
мощности рассчитанной в примере 1 ([pic]кВт) с учетом производительности
Так как количество тепла необходимое для расплавления и доведения до
температуры разливки массы сплава Л63 [pic] т остается неизменным то
длительность нагрева и подогрева жидкого металла [pic] уменьшится т.е.
возрастет производительность печи.
Время нагрева и подогрева жидкого металла
При увеличении [pic] [pic] [pic] произойдет незначительное
увеличение расчетного значения поперечного сечения магнитопровода печного
Для того чтобы избежать значительного конструктивного изменения
индуктора и магнитопровода достаточно перейти с четырехступенчатого
сечения стержня магнитопровода на пятиступенчатое с [pic] и уменьшить
толщину стенки изолирующей гильзы в пределах допустимого с [pic] мм на
[pic]мм. В этом случае внутренний диаметр индуктора не изменится.
Мощность и емкость конденсаторной батареи необходимые для
повышения коэффициента мощности до величины
[pic] соответствует заданному коэффициенту мощности [pic].
Выбираем конденсатор косинусный КС2-038-50-2У3 с номинальным
напряжением [pic]В номинальной мощностью [pic] квар и номинальной емкостью
Для того чтобы обеспечить повышение коэффициента мощности до величины
[pic] необходимо включить параллельно индуктору печи три конденсатора КС2-
8-50-2У3. В этом случае
Коэффициент мощности печи с учетом компенсации [pic].
Реактивный ток индуктора печи до компенсации
Реактивный ток печи после компенсации
Активная составляющая тока печи
Потребляемый ток печи с учетом компенсации
Плотность тока в меди индуктора
Плотность тока в канале печи
Электрический коэффициент полезного действия печи
Суммарная мощность потерь в меди индуктора и в стали магнитопровода
[pic] взято из примера 4.
Тепловой коэффициент полезного действия печи
Основные результаты инженерного электрического расчета индукционной
канальной печи для плавки латуни Л63 сведены в табл. 11.
Основные технические характеристики
индукционной канальной печи
№ Характеристика Единица Величина
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность кВ(А 400
первичное напряжение кВ 6 или 10
вторичное напряжение В 414 – 298
Коэффициент мощности
без компенсации 07756
с компенсацией 0956
без компенсации А 100195
Коэффициент полезного действия печи 08
Электрический коэффициент
полезного действия 0966
Тепловой коэффициент полезного
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Сарапулов Ф.Н. Введение в специальность «Электротехнологические установки и
системы»: Учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ 1997. 92 с.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-е
изд. перераб. и доп. М.: Энергия 1967. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и
сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1968. 496 с.
Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.:
Металлургия 1974. 248 с.: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной
металлургии. М.: Металлургия 1971. 320 с.
Фомин Н.И. Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного
нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов А.Е.Слухоцкий
В.С.Немков Н.А.Павлов А.В.Бамунэр; Под ред А.Е.Слухоцкого. Л.:
Энергоиздат Ленинградское отд-ние 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна Б.П.Платонов А.Д.Акименко
С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов
И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич Н.М.Некрасова А.Д.Свенчанский; Под ред.
А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат 1982.
Болотов А.В. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для
вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. шк. 1988.
Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848 с.:
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин
Н.А.Смирягина А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред. Л.Е.Миллера.
М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и цветной
металлургии 1961. 872 с.: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-справочное
руководство. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.
лит. 1988. 432 с.: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник
А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкий и др.; Под ред. А.П.Альтгаузена
М.Д.Бершицкого М.Я.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических цепей:
Учебник. М.: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. 304 с.: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под общей ред.
А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных
металлов и сплавов. М.: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М.:
Металлургия 1984. 232 с.: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова
М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.:
Энергоатомиздат 1983. 120 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия 1989. 231
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник
В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского.
М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с.: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов И.П.Копылов
Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.; Под ред. И.П.Копылова. М.: Энергия 1980.
-----------------------

Doc2.doc

ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет –УПИ
Кафедра “ Электротехника и электротехнологические системы “
Дисциплина: Электротехнологические установки и системы
Тема: Расчет индукционной канальной печи емкостью 1.07 тонны

Doc1.doc

[pic]Задание на курсовую работу
№ Полная Металл или сплав
105 Томпак (90% Си 10 % Zn)
Задание на курсовую работу ..1
Определение емкости печи ..4
Расчет сечения магнитопровода печного трансформатора индукционной
канальной печи шахтного типа для плавки латуни Л90 13
Расчет геометрических размеров и числа витков индуктора. Расчет
геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора .16
Расчет геометрических размеров канальной части индукционной
Расчет электрических параметров индукционное канальной печи. Определение
мощности конденсаторной батареи необходимой
для повышения коэффициента мощности печи .24
Библиографический список
Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу
действия силового трансформатора работающего в режиме короткого замыкания.
Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного
трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.
Конструктивно печь состоит (рис. 1) из футерованной ванны 2 в которой
помешается почти вся масса расплавляемого металла 3. и находящейся под
ванной индукционной единицы.
Ванна сообщается с плавильным каналом 5. также заполненным расплавом.
Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее
Система индуктор - магнитопровод называется печным трансформатором.
Футеровка образующая плавильный канал называется подовым камнем 6.
Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим
проемом 7. в который вставляется индуктор 4. навитый на стержень замкнутого
Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень
Индуктор является первичной обмоткой трансформатора а роль вторичного
витка выполняет расплавленный металл заполняющий канал и находящийся в
Ток протекающий во вторичной цепи вызывает нагрев расплава при
этом почти вся энергия выделяется в канале имеющем малое сечение (в
канале поглощается 90 - 95 % подведенной к печи электрической энергии).
Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.
Перемещение металла обусловлено
главным образом электродинамическими усилиями возникающими в канале и в
меньшей степени конвекцией связанной перегревом металла в канале по
Рис. 2.1. Устройство ванне. Перегрев ограничивается
индукционной некоторой допустимой
канальной печи шахтного лимитирующей допускаемую мощность в
Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторичной
цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и
дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи
работают с остаточной емкостью составляющей обычно 20 - 50 % полной
емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом.
Замораживание металла в канале не допускается во время межплавочного
простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.
Индукционные канальные печи в основном используются для плавки
цветных металлов (медь и сплавы на медной основе - латуни бронзы
нейзильберы. мельхиоры. куниали: цинк; алюминий и их сплавы) и чугуна а
также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование индукционных
канальных печей для плавки стали ограничивается из-за недостаточной
стойкости футеровки.
Индукционные канальные миксеры предназначены для перегрева жидкого
металла выравнивания состава создания постоянных температурных условий
литья и в ряде случаев для дозирования и регулирования скорости литья в
кристаллизаторы литейных машин или в литейные формы.
Классификация индукционных канальных печей и миксеров.
Печь ИЛК - шахтного и барабанного типов - предназначена для плавки меди и
сплавов на медной основе.
Миксер ИЛКМ предназначен для выдержки перегрева и разливки меди и сплавов
Печь ИАК предназначена для плавки алюминия и его сплавов.
Миксер ИАКР предназначен для перегрева поддержания стабильной температуры
жидкого алюминия и заливки его непосредственно в литейные формы.
Печь ИЦК предназначена для плавки катодного цинка.
Миксер ИЧКМ - шахтного и барабанного типов - предназначен для выдержки
перегрева разливки жидкого чугуна может работать в комплекте с
вагранками или индукционными тигельными печами или дуговыми печами
Миксер раздаточный ИЧКР предназначен для перегрева поддержания стабильной
температуры жидкого чугуна и заливки его непосредственно в литейные формы
работает в комплексе с литейными машинами и литейными конвейерами.
К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести:
Минимальный угар (окисление) и испарение металла так как нагрев
происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава находящейся в
каналах нет доступа воздуха а поверхность металла в ванне имеет
сравнительно низкую температуру.
Малый расход энергии на расплавление перегрев и выдержку металла.
Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию
замкнутого магнитопровода.
В то же время высок и тепловой КПД печи так как основная масса расплава
находится в ванне имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.
Однородность химического состава металла в ванне благодаря
циркуляции расплава обусловленной электродинамическими и тепловыми
усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.
К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся:
Тяжелые условия работы футеровки канала - подового камня.
Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава при
плавке сплавов содержащих химически активные компоненты (например бронзы
имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах
также низкосортной загрязненной шихты - вследствие зарастания каналов.
Необходимость постоянно (даже при длительных перерывах в работе)
держать в печи сравнительно большое количество расплавленного металла.
Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и к ее
растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной
марки выплавляемого сплава на другую. В этом случае приходится проводить
ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют
состав сплава от исходного до требуемого.
Шлак на поверхности ванны имеет низкую температуру. Это затрудняет
проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком. По
этой же причине а также ввиду малой циркуляции расплава вблизи поверхности
затруднено расплавление стружки и легкого скрапа.
Определение емкости печи.
Характеристики латуни Л90 (томпака - 90% Cu 10% - Zn)
Температура плавления . tп=10450С
Температура разлива . . tр=12250С
Плотность при t=200C . .[pic]
Плотность в жидком состоянии при t=200C [pic]
Удельное сопротивление в жидком состоянии [pic]
Теплоемкость в диапазоне температур t=20-10450 C C1= 0.1139 [pic]
Теплоемкость в диапазоне температур t=1045-12250 C ..C2= 0.1174 [pic]
Скрытая теплота плавления ..[pic]
Энтальпия при температуре t=12250C .[pic]
Принимаем для расчета печь шахтного типа рис.1.
Печь шахтного типа — плавильная камера выполнена в виде вертикального
цилиндра 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.
1 Определение остаточной емкости (емкости болота) индукционной
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.
где [pic]- коэффициент учитывающий остаточную емкость (массу болота). Этот
коэффициент принимают равным 02 – 05; причем меньшие значения - для печей
емкостью более 1 тонны а большие - для печей емкостью менее 1 тонны.
2 Определение полезной емкости печи.
[pic] = [pic] + [pic] т.
[pic]= [pic] -[pic]=1.05- 0.3=0.75 т.
3 Определение ориентировочного объема жидкого металла в ванне печи
Значение плотности сплава Л90 в горячем состоянии принято
умж = 8200 кгм3 по данным табл. 1.
4 Определение количества тепла необходимого для нагрева сплава Л90
массой Gn = 0.75т при теплоемкости С1=[pic] [pic] от начальной
температуры tн = 200С до температуры плавления tплав = 1045С0
5 Определение количества тепла необходимого для перевода сплава Л90
массой Gn = 0.75т при температуре плавления tплав = 1045С0 в
расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления [pic]
6 Определение количества тепла необходимого для доведения сплава
Л90 массой Gn = 0.75т при теплоемкости С2=[pic] [pic] от температуры
плавления tплав = 1045С0 до температуры разливки tр = 1225С0
7 Определение количества тепла теоретически необходимого для
расплавления и доведения до температуры разливки сплава массой Gn= 0.75 т.
где [pic] - тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения
до температуры разливки G кг сплава [ккал].
[pic] - тепло необходимое для нагрева сплава массой G кг при
теплоемкости [pic] от начальной температуры [pic] до температуры плавления
[pic] - тепло необходимое для перевода сплава массой G кг при
[pic] - тепло необходимое для доведения сплава массой G кг при
теплоемкости [pic] от температуры плавления [pic] до температуры
разливки [pic] ккал.
8 Определение количества тепла необходимого для поддержания температуры
массы сплава Л90 G6 = 03 т на уровне tp
Полученное значение Q4 составляет всего 4882 % от общего количества тепла
необходимого для расплавления и доведения до температуры разливки массы
сплава Л90 G = 105 т. Поэтому многие авторы не учитывают в расчетах
количество тепла необходимого для поддержания температуры массы металла
или сплава G6 на уровне tp.
9 Определение количества тепла необходимого для расплавления и доведения
до температуры разливки массы сплава Л90 G = 105 т
10 Определение подводимой к печи активной мощности
Коэффициент полезного действия индукционной канальной печи предназначенной
для расплавления сплава Л90 принимается ориентировочно равным [pic](см.
Коэффициент полезного действия индукционной канальной печи
предназначенной для расплавления сплава Л90 принимается ориентировочно
равны м = 0.85 (с м . т а б л . 1.2).
Исходя из опыта проектирования и эксплуатации индукционных
канальных печей принимаем для рассчитываемой печи производительность
Аи =15тсутки . Длительность нагрева и подогрева жидкого металла
= 1.05 часа длительность разливки загрузки чистки и т .д.
=0.15 часа (см . табл . 1.2).
Число плавок в сутки : [pic]
где [pic] - длительность плавки и подогрева жидкого металла в часах
[pic] - длительность разливки загрузки чистки и т.д. в часах.
Что соответствует [pic]
[pic] - число плавок в сутки.
Подводимая к печи активная мощность
Для оценки результатов расчета можно воспользоваться данными табл. 1.3.
Удельный расход электроэнергии при плавке латуни Л90 [5] составляет
По результатам расчета удельный расход электроэнергии
что соответствует данным [5].
Полученное значение подводимой к печи активной мощности меньше 300 кВт
поэтому число индукционных единиц принимается равным n= 1 число фаз m=1.
Величина активной мощности индукционной единицы
11 Определение полезной активной мощности и подводимой к печи активной
мощности при условии что известна величина удельного теплосодержания
латуни Л90 q2= 7.781*105 Дж кг при температуре разливки
Произведем перевод значений в единице измерений Джкг следующие значения и
найдем удельное теплосодержание .
12 Определение подводимой к печи активной мощности при условии что
известна величина энтальпии латуни Л90 Ср = 175 Вт*чкг при
температуре разливки tp =12250С.
13 Определение полной мощности печи
Коэффициент мощности индукционной канальной печи предназначенный для
расплавления сплава Л90 принимается ориентировочно равным [pic] (см.
При соответствующей активной мощности полная мощность печи:
Так как в печи используется одна индукционная единица то полная мощность
индукционной единицы равна полной мощности печи S = Sn.
Полученное значение полной мощности индукционной канальной печи позволяет
подобрать типовой электропечной трансформатор [15] с номинальной мощностью
Sном = 400 кВА. Тип трансформатора ЭПОМ-350 число фаз - 1 напряжение
первичное били 10 кВ. вторичное — 414 — 298 В.
канальной печи шахтного типа для плавки латуни Л90
1 Определение поперечного сечения магнитопровода печного
трансформатора без учета межлистовой изоляции.
Описание коэффициентов используемых в данном расчете и их значения
Bm -Магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора.
Тл (Тл = Вбм2). Допустимую величину магнитной индукции В магнитопроводе
печного трансформатора ввиду тяжелых условий работы принимают меньшей чем
в обычных силовых трансформаторах. Например для электротехнической стали
jM - плотность тока в индукторе Ам2. При воздушном охлаждении
индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2. а при водяном
охлаждении должна быть не более 20 МАм2;
При расчете приняты значения плотности электротехнической стали [pic]
кгм3 плотности меди обмотки [pic] кгм3 что соответствует коэффициенту
1 в определении коэффициента С. Исходя из практических результатов
принято для однофазного броневого трансформатора [pic] для стержневого
трансформатора [p для трехфазного
броневого пятикернового [pic].
При принудительном воздушном охлаждении индуктора [p при водяном
охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк [p для печей-
накопителей чугунолитейных цехов [pic].
Для расчета принимаем: печной однофазный трансформатор стержневого типа
максимальное значение индукции Вт = 13 Тл. коэффициент
мощности [pic] охлаждение индуктора водяное плотность тока в
индукторе jM= 12.5*106 Ам2 значение коэффициентов [pic]С = 0.27.
Число индукционных единиц n = 1 полная емкость печи 1.05 т.
подводимая к печи активная мощность Рп =[pic] кВт
Таким образом ориентировочное значение величины сечения
магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком
2 Определение поперечного сечения магнитопровода печного трансформатора с
учетом межлистовой изоляции .
Для расчета принимаем по таблице 2 коэффициент заполнения сталью
Кз =095соответствующий толщине листа электротехнической стати 05 мм
с оксидированным покрытием .
Это значение соответствует ориентировочному значению величины
сечения магнитопровода печного трансформатора [2]. рассчитанному по
выражению при межвитковом напряжении 7 — 10 В на один виток . Для
однофазного печного трансформатора стержневого типа Scт =Sя = 0.03[pic]
3 Определение внутреннего диаметра изолирующей гильзы.
Для квадратного сечения [pic]. Для ступенчатого сечения при числе
ступеней 2 3 4 и 5 соответственно [p 081; 083; 085. Чем выше
мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Где [pic] - коэффициент заполнения круга диаметром [pic] зависящий от
формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника
окружности описанной вокруг него).
При расчете внутреннего диаметра изолирующей гильзы принимаем
ступенчатое сечение стержня магнитопровода печного трансформатора с
числом ступеней 4 kф = 0.83
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая или
стеклотекстолитовая гильза закрепленная деревянными клиньями. Толщина
изолирующей гильзы [pic]м.
Практические размеры ступеней стержня магнитопровода рассчитанные по
данным табл .2.1 равны b1=0.198м b3=0.169м b3 =0.127 м . b4 = 0.080
Для последующих расчетов принимается изолирующая гильза из
стеклотекстолита с толщиной стенки dг = 5мм .
геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора.
1 Внутренний диаметр индуктора.
где [pic] - внутренний диаметр изолирующей гильзы
[pic] - толщина изолирующей гильзы
Число витков индуктора.
Напряжение индукторе принимаем равным стандартному Uu = 380 В.
Принимаем [pic] витка
4 Площадь сечения проводника индуктора.
5Глубина проникновения тока в материал индуктора.
f – частота питающей сети с-1.
Значение удельного сопротивления материала индуктора [pic] принято по [6].
6 Оценка величины радиального размера d1 провода индуктора по условию
7 В качестве провода индуктора принимаем медную трубку прямоугольного
сечения с размерами:
радиальный [pic] мм осевой - [pic]мм и толщиной стенки 2мм.[6]
Сечение меди S`м индуктора.
9 Предварительная оценка толщины межвитковой изоляции приходящейся на
один виток индуктора производится с использованием коэффициента
заполнения индуктора [pic]
Для расчета принимаем [pic]
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из
стеклоткани [pic] мм [pic] мм.
10 Осевой размер индуктора.
11 Наружный диаметр индуктора.
12 Средний диаметр индуктора
13 Длина одного витка меди индуктора.
14 Длина стержня магнитопровода печного трансформатора.
По рекомендациям [45] [pic].
Принимаем для расчетов [pic]
15 Полная длина магнитопровода.
16 Длина ярма магнитопровода.
17 Длины отдельных участков магнитопровода определяются:
Рис 2 Печной трансформатор стержневого типа
19стали магнитопровода.
20 Оценка значения коэффициента [pic]
Исходное значение [pic]
Расхождение между значением коэффициента и полученным по результатам
расчета составляет 5.101 %. что вполне приемлемо.
Расчет геометрических размеров канальной части индукционной единицы.
1 Проем подового камня . При расчете принимается расстояние от наружной
поверхности индуктора до внутренней поверхности проема подового камня
где [pic] - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней
поверхности проема подового камня. При воздушном охлаждении подового камня
рекомендуется принимать [pic] м.
2 Внутренний диаметр канала индукционной единицы на уровне оси стержня
магнитопровода печного трансформатора.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина
футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и
эксплуатации индукционных канальных печей предложены рекомендации [9] по
величине [pic]. В зависимости от гидростатического давления металла в
канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может
изменяться в пределах [pic] м.
При расчете принимается толщина футеровки dф=0.05 м.
где [pic] - толщина футеровки между каналом и проемом подового камня.
Оценим правомерность выбранных [pic] и [pic].[pic]что соответствует
рекомендациям [pic] [2].
3 Глубина проникновения тока в жидкий металл канала . Для расчета
принимается величина удельного сопротивления сплава Л90 в жидком
состоянии ρг = [pic] [pic] (табл. №4).
Радиальный размер канала индукционной единицы.
В аналогичных индукционных канальных печах применяются каналы
сечением (0.022х0.09) [pic] [6]
5 Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне
горизонтальной оси стержня магнитопровода печного трансформатора.
где [pic] - радиальный размер канала.
6 Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне
горизонтальной оси стержня магнитопровода печного трансформатора
7 Ток в канале индукционной единицы.
8 Плотность тока в жидком металле в канате печи.
[pic] - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава
в расплавленном состоянии Ом(м.
Значение удельной мощности в канале печи [pic] Ам2 по таблице №4.1
По рекомендациям (табл. 4.1 ) плотность тока в жидком металле в канале
печи при плавке латуни составляет [pic] [pic].
Рассчитанное значение близко к рекомендуемому.
10 Осевой размер канала индукционной единицы.
Отношение осевого размера канала к радиальному [pic]
Так как а2 > 5d2 целесообразно принять два параллельных канала
разнесенных в осевом направлении на расстояние [pic] м
Осевой размер каждого канала [pic]м
Отношение осевого размера каната к осевому размеру индуктора
[pic] что соответствует рекомендациям при двух каналах [pic]=0.25-0.30
11 Активное сопротивление меди индуктора.
12 Мощность потерь в меди индуктора.
13 Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора.
Значение удельных потерь в стали магнитопровода принято
где [pic] - удельные потери в стали определенной марки при индукции
соответствующей величине индукции принятой при расчете. Значение [pic]
определяется из справочной или специальной литературы например [26];
[pic] - масса стали.
14 Активная мощность передаваемая в канал печи.
15 Объем двух каналов печи.
16 Длина канала по средней линии.
17 Минимальная длина канала.
18 Размеры отдельных участков канала печи определяются с использованием
эскиза печи (рис. 3).
Рис 3 Эскиз канальной части индукционной печи.
[pic] м. [pic]м [pic] м
Полная длина по средней линии
19 Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси
стержня магнитопровода .
Толщина наружной части футеровки канала [pic] должна быть больше толщины
футеровки между каналом и проемом подового камня [pic]. По рекомендациям
[4 5 89] [pic] м. С учетом неравенства [pic] и рекомендаций
[23.67] принимаем [pic] м.
20 Оценка соотношения размеров подового камня и «окна» магнитопровода
проводится с целью возможности размещения подового камня в «окне»
Расстояние от горизонтальной оси стержня магнитопровода до наружной стенки
подового камня по вертикальной оси.
Длина части подового камня размешенная в «окне» магнитопровода.
Расчеты показывают что l``` > l``. Подовый камень может быть
размещен в «окне » магнитопровода.
21металла в канальной части печи определяется с использованием
22металла в ванне печи.
23 Объем ванны печи занятой жидким металлом.
24 Высота жидкого металла в ванне печи.
Диаметр ванны печи Dв = 0.64 м принят исходя из эскиза печи
25 Высота не сливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Масса несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Объем несливаемой части жидкого металла.
26 Давление создаваемое электродинамическими силами (радиальными) в
Полученное значение меньше атмосферного давления поэтому нет необходимости
увеличения высоты жидкого металла в ванне печи.
Расчет электрических параметров индукционной канальной печи. Определение
мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента
1 Активное сопротивление канальной части определяется с учетом что
По эскизу определим (рис.3):
2 Активное сопротивление нагруженного индуктора.
Приведенное сопротивление жидкого металла или сплава в канальной части
3 Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора.
Средний (расчетный) диаметр зазора.
Приведенное расстояние между индуктором и каналом.
[pic] - радиальный размер канала.
Коэффициент Роговского.
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров
индуктора [pic] и канала [pic]. Это учитывается в коэффициентом [pic].
4 Полное сопротивление нагруженного индуктора.
5 Коэффициент мощности печи.
Следует отметить что полненное значение[pic] находится в пределах
рекомендуемого значения [pic] (табл. 1.5).
Расхождение между принятым в начале расчета коэффициентом мощности [pic]и
полученным в результате расчета[pic] составляет
7 Полная мощность индуктора.
8 Активная мощность индуктора
Полученные значения ток и мощности незначительно превышают ранее
рассчитанные значения тока и мощности . Принятый ранее электропечной
трансформатор сможет обеспечить соответствующее питание индукционной
Полученное значение активной мощности не превышает 300 кВт поэтому
число индукционных единиц n и число фаз m остается таким же .
Мощность и емкость конденсаторной батареи необходимые для повышения
коэффициента мощности до величины [pic]
[pic]соответствует заданному коэффициенту мощности [pic].
Выбираем по [23] конденсатор косинусный КС2-0.38-50-2УЗ с номинальным
напряжением [pic]В номинальной мощностью [pic] квар и номинальной
Для того чтобы обеспечить повышение коэффициента мощности до величины
[pic] обходимо включить параллельно индуктору печи четыре
конденсатора КС2-038-50-2УЗ.
Коэффициент мощности печи с учетом компенсации [pic]
Реактивный ток индуктора печи до компенсации.
Реактивный ток печи после компенсации.
Активная составляющая тока печи.
Потребляемый ток печи с учетом компенсации.
Плотность тока в меди индуктора.
Плотность тока в канале печи.
10 Электрический коэффициент полезного действия печи .
Мощность потерь в меди индуктора.
Суммарная мощность потерь в меди индуктора и в стали магнитопровода.
Тепловой коэффициент полезного действия печи.
Основные результаты инженерного электрического расчета индукционной
канальной печи для плавки латуни Л90 сведены в табл. №5
Основные технические характеристики индукционной канальной печи
№ Характеристика Единица Величина
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность кВА 400
первичное напряжение кВ 6 или 10
вторичное напряжение В 414-298
Коэффициент мощности
без компенсации 0.547
с компенсацией 0.957
без компенсации А 979.65
с компенсацией А 579.201
Коэффициент полезного действия печи 0.85
Электрический коэффициент
полезного действия 0.945
Тепловой коэффициент
полезного действия 0.899
Библиографический список.
Сарапулов Ф.Н. Введение в специальность «Электротехнологические
установки и системы»: Учебное пособие. Екатеринбург: УХТУ 1997. 92 с.
Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-
е изд. перераб. и доп. М.: Энергия. 1967. 416 с: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и
сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия. 1968.496 с.
Цыганов В .А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.:
Металлургия 1974. 24S с: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи
цветной металлургии. М.: Металлургия. 1971. 320 с.
Фомин Н.И.. Затуловскнй Л.М. Электрические печи и установки
индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов
А.Е.Слухоцкий. В.С.Немков. Н.А.Павлов. А.В.Бамунэр: Под ред.
А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат. Ленинградское отд-ние. 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна .Б.П.Платонов А.Д.Акименко.
С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов
И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич. Н.М.Некрасова. А.Д.Свенчанский: Под ред.
А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат. 1982.
Болотов А.В.. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для
вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. Шк. 1988. 336
Яворский Б.М.. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин.
Н.А.Смирягнна. А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия. 1974.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред.
Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и
цветной металлургии 1961. 872 с: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-
справочное руководство. 3-е изд.. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-
мат. лит. 1988. 432 с: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок:
Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкнй и др.: Под ред. А.П.Алыгаузена
М.Д.Бершицкого М.Л.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия. 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических
цепей: Учебник. М: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит.. 1977. 304 с: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под обшей ред.
А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных
металлов и сплавов. М: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М:
Металлургия 1984. 232 с: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова
М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с: ил.
Caсca B.C. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.:
Энергоатомиздат. 1983.120 с: ил.
Caсca B.C. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия. 19S9.
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник
В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского.
М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов
И.П.Копылов Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.: Под ред. И.П.Копылова. М.:
Энергия 1980.496 с: ил.

ИЛК-0,75 (2).cdw

Внутренний размер индуктора
Наружный размер индуктора
Средний размер индуктора
Длина стержня магнитопровода
Длина ярма магнитопровода
Проём подового камня
Внутренний размер канала
Радиальный размер канала
Расстояние между устьями канала
Расстояние между наружными стенками устьев
Осевой размер канала
Осевой размер индуктора
Размер наружной части подового камня
Высота жидкого металла в ванне печи
Высота несливаемой части жидкого металла

Курсовой проект(новая версия) (2).docx

Определение мощности печи
Расчёт индукционноё единицы
Предварительная оценка сечения магнитопровода печного трансформатора
Расчёт поперечного сечения магнитопровода печного трансформатора
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора . Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Расчёт геометрических размеров канальной части индукционной единицы
Расчёт электрических параметров ИКП. Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
Библиографический список
Цель работы: пользуясь исходными данными произвести электрический и тепловой расчёты индукционной канальной печи.
- вид выплавляемого металла или сплава;
- характеристики расплавляемого металла или сплава:
- температура плавления и разливки;
- плотность в твёрдом и расплавленном состоянии;
- теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки или теплоёмкость и скрытая теплота плавления;
- удельное сопротивление в твёрдом и расплавленном состоянии;
- характеристики печи:
- производительность печи;
- длительность плавки и длительность загрузки и разливки;
- характеристики питающей сети:
- частота питающей сети;
- напряжение сети или напряжение вторичной обмотки печного трансформатора питающего печь.
Содержание курсовой работы:
- описание конструкции и принципа действия печи;
- достоинства и недостатки ИКП;
- электрический расчёт ИКП;
- тепловой расчёт ИКП;
- расчёт охлаждения индуктора;
- выбор электропечного трансформатора по справочной литературе на основании расчёта мощности ИКП;
- выбор по справочной литературе конденсаторов предназначенных для повышения cosφ на основании расчёта ИКП;
- таблица основных параметров и характеристик ИКП полученных в результате расчётов;
- список используемой литературы.
- индукционная единица;
- магнитопровод печного трансформатора;
- печной трансформатор в сборе;
- индукционная канальная печь.
Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций. Конструктивно печь состоит (рис. 1) из футерованной ванны 2 в которой помешается почти вся масса расплавляемого металла 3. и находящейся под ванной индукционной единицы.
Ванна сообщается с плавильным каналом 5. также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.
Система индуктор - магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка образующая плавильный канал называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7. в который вставляется индуктор 4. навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1.
Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом.
Индуктор является первичной обмоткой трансформатора а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны.
-110490167005 Ток протекающий во вторичной цепи вызывает нагрев расплава при этом почти вся энергия выделяется в канале имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 - 95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.
Характеристики меди (100% Cu)
Температура плавления
Температура перегрева перед разливкой
Плотность в жидком состоянии
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tплавления
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tперегрева
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при t0C
Скрытая теплота плавления
Удельное сопротивление меди (100% Cu) в жидком состоянии
Технические характеристики ИЛК-075
Производительность (ориентировочно)
Число индукционных единиц
Коэффициент мощности без компенсации
Масса печи общая с металлом
Печь шахтного типа. Плавильная камера выполнена в виде вертикального цилиндра 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.
Ориентировочный объём ванны печи:
Vвп=Gγмж=10508300=01265 м3
где: мж - плотность металла в жидком состоянии кгм3.
Остаточная ёмкость (ёмкость болота):
где: kб - коэффициент учитывающий остаточную ёмкость (массу болота).
kб = 02÷05. Меньшие значения - для печей ёмкостью более 1 тонны большие - для печей ёмкостью менее 1 тонны.
Тепло необходимое для нагрева меди (100% Cu) массой 075 т при теплоёмкости 013 ккалкг0С от начальной температуры 200С до температуры плавления 1083 0С:
Q1=GC1tп-tн=7500131083-20=103642 ккал
Тепло необходимое для перевода сплава массой 075 т при 1083 0С в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления 425 ккалкг:
Q2=Gλ=750425=31875 ккал
Тепло необходимое для доведения сплава массой 075 т при теплоёмкости 01335 ккалкг0С от температуры плавления 1083 0С до температуры разливки 1225 0С:
Q3=GC2tр-tп=750013351225-1083=14218 ккал
Тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки 075 т сплава:
Qт=Q1+Q2+Q3=103642+31875+14218=149735 ккал
Тепло необходимое для поддержания температуры массы меди (100% Cu) Gб=03 т на уровне tр:
Q4=GбC2tр-tп=300013351225-1083=5681 ккал
Тепло необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки массы меди (100% Cu) G=105 т:
Q'т=Qт+Q4=149735+5681=155416 ккал
Активная мощность подводимая к печи:
где: п - полный КПД печи в предварительном расчёте для меди принимается равным 06÷072. Для ИЛК-075 п=07.
Длительность нагрева и подогрева жидкого металла: 1=09 ч.
Длительность разливки загрузки чистки: 2=03 ч.
Число плавок в сутки:
Pп=1554168640709=2856 кВт
Удельный расход электроэнергии:
W'=Pп1Gn=285609075=3427 кВтчт
Ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии при плавке меди в ИКП:
Число индукционных единиц принимается равным n=1 число фаз m=1.
Полная мощность печи:
Sп=Pпcosφ=285607=408 кВА
где: cosφ – коэффициент мощности ИКП при плавке меди (100% Cu).
Для ИЛК-075 по справочной литературе выбираем электропечной трансформатор с номинальной мощностью Sном=1000 кВА. Тип трансформатора ЭПОМ число фаз - 1 напряжение первичное 610 кВ вторичное 414 ÷ 298 В.
Расчёт индукционной единицы
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора:
где: Sn - полная мощность ИКП ВА;
Eu - ЭДС индуктора канальной печи В;
U1 витка - межвитковое напряжение в индукторе В;
f1 - частота питающей сети Гц.
Все ИКП работают на частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД системы индуктор-канал может быть обеспечен на этой частоте при любом удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия: d2≤0752 (d2 - радиальный размер канала печи; 2 - глубина проникновения тока в расплавленный металл).
Nu - число витков индуктора;
Фm - магнитный поток в магнитопроводе печного трансформатора Вб;
Bm - магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора Тл(Вбм2);
Допустимую величину магнитной индукции B в магнитопроводе печного трансформатора ввиду тяжёлых условий работы принимают меньшей чем в обычных силовых трансформаторах.
Iu - ток в индукторе А;
jм - плотность тока в индукторе Ам2;
При воздушном охлаждении индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном охлаждении должна быть не более 20 МАм2.
S'м - поперечное сечение проводника индуктора м2;
S'c - поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора м2.
На основании опыта проектирования и эксплуатации ИКП и с учётом качества материала межвитковой изоляции индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора принимается 6 - 7 В на один виток на малых печах и 12 - 20 В на один виток - на больших печах.
Межвитковое напряжение принимается 7 - 10 В на один виток.
Таким образом ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком диапазоне:
S'c=6÷74445012=002252÷0026276=2252÷2627610-4 м2
S'c=12÷204445012=00450÷007507=4500÷750710-4 м2
S'c=7÷104445012=0026276÷0375375=26276÷37537510-4 м2
Подводимая к печи активная мощность
Максимальное значение индукции
Коэффициент мощности
Плотность тока в индукторе
Охлаждение индуктора
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора без учёта межлистовой изоляции:
S'c=CPBmjмf1cosφ=02728560028121151065007=00347 м2
=S'clcγcS'мlм(1)Nuγм=mcmм - коэффициент зависящий от отношения массы стали mc печного трансформатора к массе меди mм обмотки индуктора.
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и величины lм и lc обозначают соответственно длину одного витка индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчёте приняты значения плотности электротехнической стали γc =77103 кгм3 плотности меди обмотки γм =89103 кгм3 что соответствует коэффициенту 051 в определении коэффициента C. Исходя из практических результатов принято для стержневого трансформатора C 027÷030.
При водяном охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк 25÷30.
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учётом межлистовой изоляции:
Sc=S'ckз=00347095=00366 м2
где: kз - коэффициент заполнения сталью.
Коэффициент заполнения сталью магнитопровода печного трансформатора
Коэффициент заполнения сталью kз
Толщина стального листа 035 мм
Толщина стального листа 05 мм
Лаковая толщиной 001 мм
Оксидированное покрытие
Значению Sc соответствует ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора при межвитковом напряжении 7 - 10 В на один виток.
Для однофазного печного трансформатора стержневого типа Scm=Sя=00366 м2 .
0830822325Магнитопровод печного трансформатора изготавливается из листовой электротехнической стали ярмо выполняется съёмным в связи с необходимостью регулярной сборки и разборки.
Для устранения нагрева в месте стыка прижимное ярмо отделяется от стержней изолирующими прокладками толщиной 025 - 05 мм из электрокартона или миканита.
Пакет магнитопровода сжимается накладками из немагнитного металла с помощью стальных шпилек. Диаметр шпилек выбирается в пределах 12 - 16 мм а расстояние между ними обычно составляет 120 - 240 мм. Среднее давление сжатия листов должно быть не менее 03 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до 90 МНм2. Шпильки изолируют от листов трансформаторной стали фибровыми бакелитовыми или миканитовыми трубками а накладки - листовым миканитом или асбестом.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности - крестообразная или ступенчатая.
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение стержня равно сечению ярма Sст=Sяр а для броневого - Sяр=Sст2.
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая или стеклотекстолитовая гильза закреплённая деревянными клиньями. Толщина изолирующей гильзы: dг=05÷110-2 м.
Внутренний диаметр изолирующей гильзы:
Dг=4Sсkф=400366314083=02369 м
где: kф - коэффициент заполнения круга диаметром Dг зависящий от формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника окружности описанной вокруг него);
Для квадратного сечения kф=064. Для ступенчатого сечения при числе ступеней 2 3 4 и 5 соответственно kф=064;081;083;085. Чем выше мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Принимаем ступенчатое сечение стержня магнитопровода печного трансформатора с числом ступеней 4 kф=083.
Выбрав число ступеней можно найти наиболее выгодную ширину каждой ступени дающую наибольшую величину для коэффициента kф.
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т. д.) на практике при числе ступеней больше двух приходится отступать от наиболее выгодной (с точки зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня магнитопровода печного трансформатора
Наиболее выгодные размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
Практические размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
b1=0905; b2=0707; b3=0424
b1=085; b2=0665; b3=04
b1=0935; b2=08; b3=06; b4=0355
b1=088; b2=0752; b3=0564; b4=0334
b1=095; b2=0848; b3=0707; b4=0532; b5=0312
b1=0894; b2=0796; b3=0665; b4=05; b5=0293
Практические размеры ступеней стержня магнитопровода: b1=0198; b2=0169; b3=0127; b4=008 м.
Для последующих расчётов принимается изолирующая гильза из стеклотекстолита с толщиной стенки из.ст.т.=6 мм.
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора
Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Внутренний диаметр индуктора D1:
D1=Dг+2dг=02369+20006=02489 м
где: Dг - внутренний диаметр изолирующей гильзы;
dг - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора Nu:
Nu=Uu444fBmSс=380444501200366=3897
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует номинальному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании от электропечного трансформатора. питание от сетей напряжением 6600 и 10000 В производится только через трансформаторы. Принимаем стандартное напряжение 380 В.
Принимаем Nu=39 витка.
Iu=PnUucosφ=28560038007=10737 А
Площадь сечения проводника индуктора S'м:
S'м=Iujм=10737115106=09310-4 м2
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном варианте.
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр не превышает 6 мм.
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с толщиной рабочей стенки (обращённой к каналу) 10 - 15 мм или равностенная - с толщиной стенки 2 - 25 - 5 мм.
Размеры трубки выбираются в соответствии с сортаментом выпускаемых промышленностью медных трубок по ГОСТ 16774-78.
Параметры медной профилированной трубки для индукторов промышленной частоты
Стандартный медный прямоугольный профиль
Радиус закругления r=410-3 м длина трубки не менее 30 м.
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из стеклоткани: из.а=2÷3 мм; из.ст.т=1÷2 мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях - двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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.
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие: d1≥1571 где d1- радиальный размер провода индуктора 1- глубина проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора:
=2ρ12f=2210-8431410-7231450=0010071 м
где: 1 - удельное сопротивление материала индуктора Омм; ρ1=210-8;
=0r - магнитная проницаемость материала индуктора Гнм;
r - относительная магнитная проницаемость;
f - частота питающей сети с-1.
Оценка величины радиального размера d1 провода индуктора по условию d1≥1571:
d1≥1570010071=0015811 м
В качестве провода индуктора принимаем медную трубку прямоугольного сечения с размерами: радиальный d1=15 мм осевой a1=10 мм и толщиной стенки 2 мм.
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки прямоугольного сечения:
S'м=a1d1-a1-2стd1-2ст
S'м=1015-10-2215-22=84 мм2
где: ст - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
Предварительная оценка толщины межвитковой изоляции приходящейся на один виток индуктора:
из=a11-kз.и.2kз.и.=101-0832083=102 мм
где: kзи=a1в=06÷09 - коэффициент заполнения индуктора;
Элемент обмотки индуктора:
Осевой размер индуктора:
au=Nua1+2из=3910+21=468 мм
где: a1 - осевой размер провода индуктора;
из - толщина межвитковой изоляции.
Наружный диаметр индуктора:
D1u=D1+2d1+4из=02489 +20015+40001=02829 м
Средний диаметр индуктора:
Du=D1+D1u2=02489+028292=02659 м
Длина одного витка меди индуктора:
lм(1)=Du=31402659=0834926 м
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора:
lст=aukз. ст=46809=520 мм
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации ИКП установлено соотношение между осевой длиной индуктора au и длиной стержня lст магнитопровода печного трансформатора:
Полная длина магнитопровода:
lс=02601lм(1)C2=0260108349260272=2979 м
где: C=051lм(1)lс=027.
Длина ярма магнитопровода:
lяр=lс-lст=2979 -052=2459 м
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа рассчитываются по эскизу. Для однофазного печного трансформатора стержневого типа длина участка l2с=lст а длины участков l1с=l3с .
Печной трансформатор стержневого типа:
l1с=l3с =lс-2lст2=2979-20522=0729 м
mм=γмlм(1)NuS'м=891030834926398410-6=243434 кг
стали магнитопровода:
mс=γсlсS'с=77103297900324=7432 кг
Оценка значения коэффициента :
=mcmм=7432 243434=305
Исходное значение =28. Расхождение не значительное.
Диаметр проёма подового камня:
Dn=D1u+2dв=02829 +20015=03129 м
где: dв - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней поверхности проёма подового камня;
При воздушном охлаждении подового камня рекомендуется принимать dв≥0015 м. При водяном охлаждении подового камня также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка - при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей в нём водой для охлаждения.
Принимаем dв=0015 м.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода:
Dк=Dn+2dф=03129 +2005=04129 м
где: dф - толщина футеровки между каналом и проёмом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и эксплуатации ИКП предложены рекомендации по величине dф. В зависимости от гидростатического давления металла в канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может изменяться в пределах: dф=005÷013 м. Для современных ИКП отношение наружного диаметра индуктора к внутреннему диаметру канала: D1uDк=065÷075.
D1uDк=02829 04129=0685
Глубина проникновения тока в жидкий металл канала:
=2ρ22f2=22110-8431410-7231450=0033 м
где: ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Омм; ρ2=2110-8 Омм;
=0м - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Гнм;
f2 - частота тока в жидком металле канала f2=f.
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения канала с большей стороной (осевой размер канала a2) расположенной параллельно оси индуктора.
Виды поперечных сечений каналов:
С ростом мощности увеличивается сечение канала т. е. возрастает его осевой размер a2 так как радиальный размер d2 ограничен (d2≤0752). Обычно a2=15÷5d2 (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей механической мощностью.
Если по расчёту получается a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в основном направлении на расстояние aк=15÷25a2.
Радиальный размер канала индукционной единицы:
Для получения наибольшего электрического КПД э и коэффициента мощности cosφ размер канала в радиальном направлении d2 выбирается в соответствии с неравенством
где: 2 - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
d2=0682=0680033=002244 м
Принимаем d2=0022 м.
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
lв=Dк+d2=04129 +0022=04349 м
где: d2 - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
l'в=Dк+2d2=04129 +20022=04569 м
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения что IuNuIкNк. Как указывалось выше число витков канала Nк=1 поэтому ток в жидком металле в канале определяется:
Iк=IuNu=1073739=418743 А
Плотность тока в жидком металле в канале печи:
jк=Pк.уд.ρ2=501062110-8=1543106 Ам2
где: Pк.уд. - удельная мощность в жидком металле Втм3; Pк.уд.=50106 Втм3.
ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в расплавленном состоянии Омм.
Для некоторых металлов и сплавов значения jк и Pк.уд. приведены в справочных таблицах. Эти значения получены на основании большого опыта проектирования и эксплуатации ИКП.
Рекомендованная плотность тока в жидком металле в канале печи для меди (100% Cu) 15106 Ам2. Рассчитанное значение близко к рекомендуемому.
Sк=Iкjк=418743 1543106=000271 м2
где: jк - плотность тока в канале Ам2;
Осевой размер канала a2 (прямоугольное сечение канала):
a2=Sкd2=0002710022=0123 м
Отношение осевого размера канала к радиальному: a2d2=0123 0022=561.
Так как a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в осевом направлении на расстояние ak:
ak=15a22=150123 2=00922 м
Осевой размер каждого канала:
a'2=a22=0123 2=00615 м
Отношение осевого размера канала к осевому размеру индуктора:
a2au=0123 0468=02628
Активное сопротивление меди индуктора:
R1=115210-839314026598410-6=8910-3 Ом
где: 115 - коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по сечению провода индуктора.
Мощность потерь в меди индуктора:
Pu=R1Iu2=8910-3107372=102784 Вт
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора:
Pcm.n.=pсmс=117432=8175 Вт
где: pс - удельные потери в стали определённой марки при индукции принятой при расчёте (определяется по справочной литературе); pс=11 Вткг.
Активная мощность передаваемая в канал печи:
Pк=Pn-Pu-Pcm.n.=285600-102784-8175=274504 Вт
Мощность Pк отличается от мощности в жидком металле (в "чистом " виде) P'к на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне ИКП.
Энергетическая диаграмма:
где: Pn - активная мощность печи;
Pu - электрические потери в меди индуктора;
Pcm.n. - электрические потери в стали печного трансформатора;
Pn.к. - тепловые потери в подовом камне печи;
Pm.в. - тепловые потери ванны печи;
Pк - активная мощность в канале печи.
Объём двух каналов определяется через передаваемую мощность в канал печи:
Vк=PкPк.уд.=274504 50106=000549 м3
Расчётное значение длины канала по средней линии:
lк=VкSк=000549000271=2026 м
где: Vк - объём канала;
Sк - сечение канала.
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу:
l'к=lв=31404349=137 м
Полученные значения lк и l'к должны быть достаточно близкими причём очевидно что расхождение должно определяться неравенством l'кlк. В противном случае необходимо проводить коррекцию расчёта.
Размеры отдельных участков канала печи определяются с использованием эскиза печи:
Длина участка m2=005 м;
Длина участка m3=10117 м.
Полная длина канала по средней линии:
lк=m1+2m2+m3=067+2005 +1236=2026 м
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси стержня магнитопровода:
Dф=l'в+2dф.н.=04569 +201=06569 м
Толщина наружной части футеровки канала dф.н. должна быть больше толщины футеровки между каналом и проёмом подового камня dф.
Оценка соотношения размеров подового камня и "окна" магнитопровода проводится с целью возможности размещения подового камня в "окне" магнитопровода. Используя результаты расчёта длин отдельных участков магнитопровода определяется расстояние между участками lс2 и lcm.
l=lс3-2Sc=0729-200341=03597 м
Расстояние от горизонтальной оси стержня магнитопровода до наружной стенки подового камня по вертикальной оси:
l'=Dф2=06488 2=03244 м
Длина части подового камня размещённая в "окне" магнитопровода:
l''=l'-Sc2=03244 -003412=03073 м
Расчёты показывают что l>l''. Подовый камень может быть размещён в "окне" магнитопровода.
mм.к.=γм.ж.Vк.u.=γм.ж.a22m2+lв2d2+2m3
mм.к.=830001232005+3140434920022+00332026=858 кг
металла в ванне печи:
mм.в.=G-mм.к.=1050-858=9642 кг
Объём ванны печи занятой жидким металлом:
Vв.п.=mм.в.γж.м.=9642 8300=01162 м3
Высота жидкого металла в ванне печи:
hм.в.=4Vв.п.Dв2=401162 3140642=0361 м
Диаметр ванны печи Dв=064 м принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
где: V'в.п. - объём несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Масса несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
m'м.в.=Gб-mм.к.=300-858=2142 кг
Объём несливаемой части жидкого металла:
V'в.п.=m'м.в.γж.м.=2142 8300=00258 м3
h'м.в.=400258 3140642=008 м
Величина давления создаваемого электродинамическими силами и сжимающего металл в закрытых каналах:
Fсж=005098510-4Iкa22= атм
Fсж=005098510-4431410-7418743 01232=07422 атм
Полученное значение меньше атмосферного давления поэтому нет необходимости увеличения высоты жидкого металла в ванне печи.
Эскиз канальной части индукционной печи:
Расчёт электрических параметров ИКП Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части активное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по выражениям:
при d22 R2=ρ2lda2d2+la22
при d2>2 R2=ρ2ld+la22
l - длина (по средней линии) пути тока канальной части не ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный металл или сплав т. е. предполагается что радиальный размер канала d2=2.
ld=m1+2m2=069 +2005=079 м
R2=ρ2lda2d2+la22=2110-80790123 0022+20260123 0033=166110-4 Ом
Активное сопротивление нагруженного индуктора:
где: R1 - активное сопротивление меди индуктора.
Приведённое сопротивление жидкого металла или сплава в канальной части печи:
R'2=Nu2R2=392166110-4=0253 Ом
Ru=8910-3+0253=0262 Ом
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора:
Xu=8fNu2Dpdskrks10-6au
где: Dp - средний (расчётный) диаметр зазора;
ds - приведённое расстояние между индуктором и каналом;
kr - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы индуктор - канал;
ks - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора au и a2.
Индуктивное сопротивление системы индуктор - канал возрастает с уменьшением отношения её поперечного сечения к её длине. Индуктивность системы тем больше чем больше поток рассеяния который растёт с увеличением площади пространства между индуктором и каналом что и учитывается произведением Dpds.
Средний (расчётный) диаметр зазора:
Dр=lв+D1u2=04349+028292=0359 м
Приведённое расстояние между индуктором и каналом:
ds=lв-D1u2+d1+d23=04349-028292+0015+00223=008833 м
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор - канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно пропорциональна его высоте т. е. его осевому размеру au. Конечная длина системы индуктор - канал учитывается коэффициентом Роговского.
Коэффициент Роговского:
kr=1-lв-D1u+2d1+2d22au
kr=1-04349-02829+20015+2002223140468=0923
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров индуктора au и канала a2.
где: α=au-a2au=0468-01230468=07372.
ks=1+073721+07372046800883335=2033
Xu=83145039203590088330923203310-60468=0243 Ом
Полное сопротивление нагруженного индуктора:
где: Zu=Ru2+Xu2=0262 2+02432=0357 Ом ;
φu=arctgXuRu=arctg02430262=428 .
Коэффициент мощности печи:
cosφu=cosarctgXuRu=cosarctg02430262=073
Полученное значение cosφu=066 отличается от первоначально выбранного незначительно cosφu=07.
Iu=UuZu=3800357=1064 А
Полная мощность индуктора:
Su=UuIu=3801064=4045 кВА
Активная мощность индуктора:
Pu=Sucosφu=4045 073=295342 кВт
Полученные значения тока и мощности не значительно превышают ранее рассчитанные значения тока и мощности. Принятый в начале электропечной трансформатор сможет обеспечить соответствующее питание ИКП.
Полученное значение активной мощности не превышает 300 кВт поэтому число индукционных единиц n и число фаз m остаются такими же.
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности до величины 095:
Qc=Ptgφ1-tgφ2=2953420936-0329=1793 кВар
где: tgφ1 - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности ИКП;
tgφ2 - соответствуют заданному коэффициенту мощности.
После определения Qc используя справочную литературу подбирается соответствующий конденсатор.
Выбираем конденсатор косинусный КС-2-038-50-2УЗ с номинальным напряжением 380 В номинальной мощностью Qcном=50 кВар и номинальной ёмкостью Cном=1102 мкФ.
Для того чтобы обеспечить повышение коэффициента мощности до величины 095 необходимо включить параллельно индуктору печи пять конденсаторов КС-2-038-50-2УЗ.
tgφ2=tgφ1-QcP=0936-450295342=0259
Коэффициент мощности с учётом компенсации:
Реактивный ток индуктора печи до компенсации:
Ipn=Insinφu=1064068=7272 А
Реактивный ток печи после компенсации:
I'pn=Ipn-Ic=7272 -5263 =2009 А
Ic=5QcUном=450000380=5263 А
Активная составляющая тока печи:
Ian=Incosφu=1064073=7767 А
Потребляемый ток печи после компенсации:
I=Ian2+I'pn2=77672+2009 2=8023 А
Плотность тока в меди индуктора:
ju=IuSм=106484=1266 Амм2
Ik=IuN=106439=41496 А
Плотность тока в канале печи:
jk=IkSk=414962710=153 Амм2
э=Pu-PucmPu=295342-10893 295342=096
где: Pucm=Pu+Pc - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали магнитопровода;
Pu=R1Iu2=8910-310642=100757 Вт
Pucm=100757+8175=10893 Вт.
Более точно тепловой КПД печи может быть получен на основании теплового расчёта. Если по тепловому расчёту значение т окажется ниже то это означает реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
Задачей теплового расчёта является определение температуры наружной поверхности футеровки расчёт тепловых потерь и теплового КПД печи.
Тепловые потери рассчитываем для установившегося теплового режима при номинальном заполнении ванны расплавом причём температуру внутренней стенки печи принимаем равной tк=12750С.
Расчёт тепловых потерь произведён методом последовательных приближений до сходимости значений температур на границах слоёв футеровки.
Тепловые потери излучением с зеркала ванны:
Pизл=c0Tk1004-T01004Dв24
где: - степень черноты расплава; =015 (табл. П-21);
T0 - температура окружающего воздуха К; T0=293 К;
Tk - абсолютная температура газов на уровне садочного окна К;
- коэффициент диафрагмирования; =056 (табл. П-22);
c0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела c0=57.
Pизл=0155715481004-293100431406424056=8829 Вт
Тепловые потери через боковую стенку ванны:
Pб.с.=2hм.в.Tк-Tиз1λфlnDф-2bизDв+1λизlnDфDф-2bиз
где: Tиз - допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции (на границе с электрической изоляцией индуктора) для расчётов можно принять Tиз423 К;
λф и λиз - теплопроводность футеровки и теплоизоляции при средней температуре соответствующего слоя;
На боковых стенках ИКП используется слой футеровки из огнеупорного материала и один теплоизоляционный слой. В качестве материала теплоизоляции используется каолиновая вата ВК материала огнеупора - корунд легковесный марки КЛ-13.
Принимаем температуру на границе футеровки и теплоизоляционного слоя t2=5510С а температуру снаружи теплоизоляционного слоя t3=550С при этом допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции tизол=1500С.
Средние температуры слоя футеровки и теплоизоляции:
tср.ф.=tк+t22=1275+5512=9130С
tср.изол.=t2+t32=551+552=3030С
Средние значения коэффициентов теплопроводности слоёв (табл. П-14 15):
Теплопроводность слоя огнеупора:
λф=0835+03510-3tср.ф.=0835+03510-3913=1154 Втм0С
Теплопроводность слоя теплоизоляции:
λизол=003+02210-3tср.изол.=003+02210-3303=0097 Втм0С
Толщина теплоизоляционного слоя:
Внутренний диаметр теплоизоляционного слоя:
Тепловое сопротивление слоя футеровки:
Rt2=1λф2hм.в.lnDфDв=1115423140361 ln06569064=001 0СВт
Тепловое сопротивление теплоизоляционного материала:
Rt3=1λизол2hм.в.lnDф+bизолDф=1009723140361ln06569+00206569=0136 0СВт
Pб.с.=231403611548-42311154ln06569-2002064+10097ln0656906569-2002=25505 Вт
Проверка значений температур на границах слоёв:
t2=1275-25505001=12495 0С
tизол=12495-255050136=9026 0С
Расхождение расчётных значений с ранее заданными незначительные.
Тепловые потери через крышку:
Pт.к.=tк-t0biλiSiср+1αкSк=tк-t0Rti
Предполагается что крышка плоская.
Толщина внутреннего слоя огнеупорного бетона составляет b1=007 м; слой кирпичной кладки марки ШЛБ-10 составляет b2=003 м; слой асбестового картона марки КАОН составляет b3=0005 м.
Значения температур на границах слоёв:
tк=t1=12750С; t2=8120С; t3=4900С; t4=3400С
Средняя по толщине температура соответствующего слоя:
Средняя температура слоя огнеупорного бетона:
t1ср=1275+8122=10435 0С
Средняя температура слоя кирпичной кладки:
t2ср=812+4902=651 0С
Средняя температура слоя асбестового картона:
t3ср=490+3402=415 0С
Площадь сечения i-того слоя футеровки крышки:
Si=Di22bизол2=314(105692+2002)2=182 м2
где: Di - диаметр соответствующего слоя в крышке.
Средние значения коэффициентов теплопроводности слоёв:
Для слоя огнеупорного бетона:
λ1ср=2-06510-3t1ср=2-06510-310435=1322 Втм0С
Для слоя кирпичной кладки:
λ2ср=035-03510-3t2ср=035-03510-3651=0578 Втм0С
Для слоя асбестового картона:
λ3ср=0128-025610-3t3ср=0128-025610-3415=0234 Втм0С
Тепловые сопротивления слоёв:
Rt1=b1λ1срS1ср=0071322182=003 0СВт
Rt2=b2λ2срS2ср=0030578182=0029 0СВт
Rt3=b3λ3срS3ср=00050234182=0012 0СВт
Тепловое сопротивление слоя воздуха на внешней поверхности крышки:
Rt4=1αкSi=1355182=0015 0СВт
где: αк - коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией с наружной поверхности крышки; αк=355 Втм0С (табл. П-18).
Pт.к.=tк-t0biλiSiср+1αкSк=tк-t0Rti=1275-20003+0029+0012+0015=14593 Вт
t2=1275-14593003=8372 0С
t3=8372-145930029=414 0С
t4=414-145930012=2396 0С
Расчётные значения температур совпадают с ранее заданными.
Общие тепловые потери:
Pт=11Pб.с.+Pизл21k+Pт.к.
где: kд - коэффициент дополнительных (неучтённых расчётом) тепловых потерь;
k - коэффициент учитывающий время работы печи с закрытой крышкой;
Pт=1125505+88290309075+14593=193507 Вт
Полезная мощность необходимая для нагрева шихты до температуры плавления расплавления загрузки и перегрева расплава до конечной температуры.
Pпол=210105009=245000 Вт
где: Cр - энтальпия; Cр=210 Втчкг.
Активная мощность которую нужно подвести к нагрузке чтобы обеспечить требуемую производительность:
P2=PполPт=245000+193507=2643507 Вт
т=PполP2= 2450002643507=0927
Основные технические характеристики ИЛК-075 (100% Cu)
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность
первичное напряжение
вторичное напряжение
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп. Л.И.Иванова Л.С.Гробова Б.А.Сокунов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ 2002. 105 с.
Электротермические установки: Учебное пособие Б.А.Сокунов Л.С.Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 2004. 122 с.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия 1967. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1968. 496 с.
Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия 1974. 248 с.: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной металлургии. М.: Металлургия 1971. 320 с.
Фомин Н.И. Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов А.Е.Слухоцкий В.С.Немков Н.А.Павлов А.В.Бамунэр; Под ред А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат Ленинградское отд-ние 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна Б.П.Платонов А.Д.Акименко С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич Н.М.Некрасова А.Д.Свенчанский; Под ред. А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат 1982.
Болотов А.В. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. шк. 1988. 336 с.: ил.
Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848 с.: ил.
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин Н.А.Смирягина А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1974. 488 с.: ил.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред. Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии 1961. 872 с.: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-справочное руководство. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988. 432 с.: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкий и др.; Под ред. А.П.Альтгаузена М.Д.Бершицкого М.Я.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических цепей: Учебник. М.: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. 304 с.: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под общей ред. А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных металлов и сплавов. М.: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М.: Металлургия 1984. 232 с.: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.: Энергоатомиздат 1983. 120 с.: ил.

Курсовой проект(новая версия).docx

Определение мощности печи
Расчёт индукционноё единицы
Предварительная оценка сечения магнитопровода печного трансформатора
Расчёт поперечного сечения магнитопровода печного трансформатора
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора . Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Расчёт геометрических размеров канальной части индукционной единицы
Расчёт электрических параметров ИКП. Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
Библиографический список
Цель работы: пользуясь исходными данными произвести электрический и тепловой расчёты индукционной канальной печи.
- вид выплавляемого металла или сплава;
- характеристики расплавляемого металла или сплава:
- температура плавления и разливки;
- плотность в твёрдом и расплавленном состоянии;
- теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки или теплоёмкость и скрытая теплота плавления;
- удельное сопротивление в твёрдом и расплавленном состоянии;
- характеристики печи:
- производительность печи;
- длительность плавки и длительность загрузки и разливки;
- характеристики питающей сети:
- частота питающей сети;
- напряжение сети или напряжение вторичной обмотки печного трансформатора питающего печь.
Содержание курсовой работы:
- описание конструкции и принципа действия печи;
- достоинства и недостатки ИКП;
- электрический расчёт ИКП;
- тепловой расчёт ИКП;
- расчёт охлаждения индуктора;
- выбор электропечного трансформатора по справочной литературе на основании расчёта мощности ИКП;
- выбор по справочной литературе конденсаторов предназначенных для повышения cosφ на основании расчёта ИКП;
- таблица основных параметров и характеристик ИКП полученных в результате расчётов;
- список используемой литературы.
- индукционная единица;
- магнитопровод печного трансформатора;
- печной трансформатор в сборе;
- индукционная канальная печь.
Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций. Конструктивно печь состоит (рис. 1) из футерованной ванны 2 в которой помешается почти вся масса расплавляемого металла 3. и находящейся под ванной индукционной единицы.
Ванна сообщается с плавильным каналом 5. также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.
Система индуктор - магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка образующая плавильный канал называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7. в который вставляется индуктор 4. навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1.
Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень с каналом.
Индуктор является первичной обмоткой трансформатора а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны.
-110490167005 Ток протекающий во вторичной цепи вызывает нагрев расплава при этом почти вся энергия выделяется в канале имеющем малое сечение (в канале поглощается 90 - 95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.
Характеристики меди (100% Cu)
Температура плавления
Температура перегрева перед разливкой
Плотность в жидком состоянии
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tплавления
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при tперегрева
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии при t0C
Скрытая теплота плавления
Удельное сопротивление меди (100% Cu) в жидком состоянии
Технические характеристики ИЛК-075
Производительность (ориентировочно)
Число индукционных единиц
Коэффициент мощности без компенсации
Масса печи общая с металлом
Печь шахтного типа. Плавильная камера выполнена в виде вертикального цилиндра 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.
Ориентировочный объём ванны печи:
Vвп=Gγмж=10508300=01265 м3
где: мж - плотность металла в жидком состоянии кгм3.
Остаточная ёмкость (ёмкость болота):
где: kб - коэффициент учитывающий остаточную ёмкость (массу болота).
kб = 02÷05. Меньшие значения - для печей ёмкостью более 1 тонны большие - для печей ёмкостью менее 1 тонны.
Тепло необходимое для нагрева меди (100% Cu) массой 075 т при теплоёмкости 013 ккалкг0С от начальной температуры 200С до температуры плавления 1083 0С:
Q1=GC1tп-tн=7500131083-20=103642 ккал
Тепло необходимое для перевода сплава массой 075 т при 1083 0С в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления 425 ккалкг:
Q2=Gλ=750425=31875 ккал
Тепло необходимое для доведения сплава массой 075 т при теплоёмкости 01335 ккалкг0С от температуры плавления 1083 0С до температуры разливки 1225 0С:
Q3=GC2tр-tп=750013351225-1083=14218 ккал
Тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки 075 т сплава:
Qт=Q1+Q2+Q3=103642+31875+14218=149735 ккал
Тепло необходимое для поддержания температуры массы меди (100% Cu) Gб=03 т на уровне tр:
Q4=GбC2tр-tп=300013351225-1083=5681 ккал
Тепло необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки массы меди (100% Cu) G=105 т:
Q'т=Qт+Q4=149735+5681=155416 ккал
Активная мощность подводимая к печи:
где: п - полный КПД печи в предварительном расчёте для меди принимается равным 06÷072. Для ИЛК-075 п=07.
Длительность нагрева и подогрева жидкого металла: 1=09 ч.
Длительность разливки загрузки чистки: 2=03 ч.
Число плавок в сутки:
Pп=1554168640709=2856 кВт
Удельный расход электроэнергии:
W'=Pп1Gn=285609075=3427 кВтчт
Ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии при плавке меди в ИКП:
Число индукционных единиц принимается равным n=1 число фаз m=1.
Полная мощность печи:
Sп=Pпcosφ=285607=408 кВА
где: cosφ – коэффициент мощности ИКП при плавке меди (100% Cu).
Для ИЛК-075 по справочной литературе выбираем электропечной трансформатор с номинальной мощностью Sном=1000 кВА. Тип трансформатора ЭПОМ число фаз - 1 напряжение первичное 610 кВ вторичное 414 ÷ 298 В.
Расчёт индукционной единицы
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора:
где: Sn - полная мощность ИКП ВА;
Eu - ЭДС индуктора канальной печи В;
U1 витка - межвитковое напряжение в индукторе В;
f1 - частота питающей сети Гц.
Все ИКП работают на частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД системы индуктор-канал может быть обеспечен на этой частоте при любом удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия: d2≤0752 (d2 - радиальный размер канала печи; 2 - глубина проникновения тока в расплавленный металл).
Nu - число витков индуктора;
Фm - магнитный поток в магнитопроводе печного трансформатора Вб;
Bm - магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора Тл(Вбм2);
Допустимую величину магнитной индукции B в магнитопроводе печного трансформатора ввиду тяжёлых условий работы принимают меньшей чем в обычных силовых трансформаторах.
Iu - ток в индукторе А;
jм - плотность тока в индукторе Ам2;
При воздушном охлаждении индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном охлаждении должна быть не более 20 МАм2.
S'м - поперечное сечение проводника индуктора м2;
S'c - поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора м2.
На основании опыта проектирования и эксплуатации ИКП и с учётом качества материала межвитковой изоляции индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора принимается 6 - 7 В на один виток на малых печах и 12 - 20 В на один виток - на больших печах.
Межвитковое напряжение принимается 7 - 10 В на один виток.
Таким образом ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком диапазоне:
S'c=6÷74445012=002252÷0026276=2252÷2627610-4 м2
S'c=12÷204445012=00450÷007507=4500÷750710-4 м2
S'c=7÷104445012=0026276÷0375375=26276÷37537510-4 м2
Подводимая к печи активная мощность
Максимальное значение индукции
Коэффициент мощности
Плотность тока в индукторе
Охлаждение индуктора
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора без учёта межлистовой изоляции:
S'c=CPBmjмf1cosφ=02728560028121151065007=00347 м2
=S'clcγcS'мlм(1)Nuγм=mcmм - коэффициент зависящий от отношения массы стали mc печного трансформатора к массе меди mм обмотки индуктора.
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и величины lм и lc обозначают соответственно длину одного витка индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчёте приняты значения плотности электротехнической стали γc =77103 кгм3 плотности меди обмотки γм =89103 кгм3 что соответствует коэффициенту 051 в определении коэффициента C. Исходя из практических результатов принято для стержневого трансформатора C 027÷030.
При водяном охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк 25÷30.
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учётом межлистовой изоляции:
Sc=S'ckз=00347095=00366 м2
где: kз - коэффициент заполнения сталью.
Коэффициент заполнения сталью магнитопровода печного трансформатора
Коэффициент заполнения сталью kз
Толщина стального листа 035 мм
Толщина стального листа 05 мм
Лаковая толщиной 001 мм
Оксидированное покрытие
Значению Sc соответствует ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора при межвитковом напряжении 7 - 10 В на один виток.
Для однофазного печного трансформатора стержневого типа Scm=Sя=00366 м2 .
0830822325Магнитопровод печного трансформатора изготавливается из листовой электротехнической стали ярмо выполняется съёмным в связи с необходимостью регулярной сборки и разборки.
Для устранения нагрева в месте стыка прижимное ярмо отделяется от стержней изолирующими прокладками толщиной 025 - 05 мм из электрокартона или миканита.
Пакет магнитопровода сжимается накладками из немагнитного металла с помощью стальных шпилек. Диаметр шпилек выбирается в пределах 12 - 16 мм а расстояние между ними обычно составляет 120 - 240 мм. Среднее давление сжатия листов должно быть не менее 03 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до 90 МНм2. Шпильки изолируют от листов трансформаторной стали фибровыми бакелитовыми или миканитовыми трубками а накладки - листовым миканитом или асбестом.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности - крестообразная или ступенчатая.
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение стержня равно сечению ярма Sст=Sяр а для броневого - Sяр=Sст2.
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая или стеклотекстолитовая гильза закреплённая деревянными клиньями. Толщина изолирующей гильзы: dг=05÷110-2 м.
Внутренний диаметр изолирующей гильзы:
Dг=4Sсkф=400366314083=02369 м
где: kф - коэффициент заполнения круга диаметром Dг зависящий от формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника окружности описанной вокруг него);
Для квадратного сечения kф=064. Для ступенчатого сечения при числе ступеней 2 3 4 и 5 соответственно kф=064;081;083;085. Чем выше мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Принимаем ступенчатое сечение стержня магнитопровода печного трансформатора с числом ступеней 4 kф=083.
Выбрав число ступеней можно найти наиболее выгодную ширину каждой ступени дающую наибольшую величину для коэффициента kф.
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т. д.) на практике при числе ступеней больше двух приходится отступать от наиболее выгодной (с точки зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня магнитопровода печного трансформатора
Наиболее выгодные размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
Практические размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
b1=0905; b2=0707; b3=0424
b1=085; b2=0665; b3=04
b1=0935; b2=08; b3=06; b4=0355
b1=088; b2=0752; b3=0564; b4=0334
b1=095; b2=0848; b3=0707; b4=0532; b5=0312
b1=0894; b2=0796; b3=0665; b4=05; b5=0293
Практические размеры ступеней стержня магнитопровода: b1=0198; b2=0169; b3=0127; b4=008 м.
Для последующих расчётов принимается изолирующая гильза из стеклотекстолита с толщиной стенки из.ст.т.=6 мм.
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора
Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Внутренний диаметр индуктора D1:
D1=Dг+2dг=02369+20006=02489 м
где: Dг - внутренний диаметр изолирующей гильзы;
dг - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора Nu:
Nu=Uu444fBmSс=380444501200366=3897
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует номинальному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании от электропечного трансформатора. питание от сетей напряжением 6600 и 10000 В производится только через трансформаторы. Принимаем стандартное напряжение 380 В.
Принимаем Nu=39 витка.
Iu=PnUucosφ=28560038007=10737 А
Площадь сечения проводника индуктора S'м:
S'м=Iujм=10737115106=09310-4 м2
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном варианте.
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр не превышает 6 мм.
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с толщиной рабочей стенки (обращённой к каналу) 10 - 15 мм или равностенная - с толщиной стенки 2 - 25 - 5 мм.
Размеры трубки выбираются в соответствии с сортаментом выпускаемых промышленностью медных трубок по ГОСТ 16774-78.
Параметры медной профилированной трубки для индукторов промышленной частоты
Стандартный медный прямоугольный профиль
Радиус закругления r=410-3 м длина трубки не менее 30 м.
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из стеклоткани: из.а=2÷3 мм; из.ст.т=1÷2 мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях - двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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.
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие: d1≥1571 где d1- радиальный размер провода индуктора 1- глубина проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора:
=2ρ12f=2210-8431410-7231450=0010071 м
где: 1 - удельное сопротивление материала индуктора Омм; ρ1=210-8;
=0r - магнитная проницаемость материала индуктора Гнм;
r - относительная магнитная проницаемость;
f - частота питающей сети с-1.
Оценка величины радиального размера d1 провода индуктора по условию d1≥1571:
d1≥1570010071=0015811 м
В качестве провода индуктора принимаем медную трубку прямоугольного сечения с размерами: радиальный d1=15 мм осевой a1=10 мм и толщиной стенки 2 мм.
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки прямоугольного сечения:
S'м=a1d1-a1-2стd1-2ст
S'м=1015-10-2215-22=84 мм2
где: ст - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
Предварительная оценка толщины межвитковой изоляции приходящейся на один виток индуктора:
из=a11-kз.и.2kз.и.=101-0832083=102 мм
где: kзи=a1в=06÷09 - коэффициент заполнения индуктора;
Элемент обмотки индуктора:
Осевой размер индуктора:
au=Nua1+2из=3910+21=468 мм
где: a1 - осевой размер провода индуктора;
из - толщина межвитковой изоляции.
Наружный диаметр индуктора:
D1u=D1+2d1+4из=02489 +20015+40001=02829 м
Средний диаметр индуктора:
Du=D1+D1u2=02489+028292=02659 м
Длина одного витка меди индуктора:
lм(1)=Du=31402659=0834926 м
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора:
lст=aukз. ст=46809=520 мм
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации ИКП установлено соотношение между осевой длиной индуктора au и длиной стержня lст магнитопровода печного трансформатора:
Полная длина магнитопровода:
lс=02601lм(1)C2=0260108349260272=2979 м
где: C=051lм(1)lс=027.
Длина ярма магнитопровода:
lяр=lс-lст=2979 -052=2459 м
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа рассчитываются по эскизу. Для однофазного печного трансформатора стержневого типа длина участка l2с=lст а длины участков l1с=l3с .
Печной трансформатор стержневого типа:
l1с=l3с =lс-2lст2=2979-20522=0729 м
mм=γмlм(1)NuS'м=891030834926398410-6=243434 кг
стали магнитопровода:
mс=γсlсS'с=77103297900324=7432 кг
Оценка значения коэффициента :
=mcmм=7432 243434=305
Исходное значение =28. Расхождение не значительное.
Диаметр проёма подового камня:
Dn=D1u+2dв=02829 +20015=03129 м
где: dв - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней поверхности проёма подового камня;
При воздушном охлаждении подового камня рекомендуется принимать dв≥0015 м. При водяном охлаждении подового камня также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка - при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей в нём водой для охлаждения.
Принимаем dв=0015 м.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода:
Dк=Dn+2dф=03129 +2005=04129 м
где: dф - толщина футеровки между каналом и проёмом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и эксплуатации ИКП предложены рекомендации по величине dф. В зависимости от гидростатического давления металла в канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может изменяться в пределах: dф=005÷013 м. Для современных ИКП отношение наружного диаметра индуктора к внутреннему диаметру канала: D1uDк=065÷075.
D1uDк=02829 04129=0685
Глубина проникновения тока в жидкий металл канала:
=2ρ22f2=22110-8431410-7231450=0033 м
где: ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Омм; ρ2=2110-8 Омм;
=0м - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Гнм;
f2 - частота тока в жидком металле канала f2=f.
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения канала с большей стороной (осевой размер канала a2) расположенной параллельно оси индуктора.
Виды поперечных сечений каналов:
С ростом мощности увеличивается сечение канала т. е. возрастает его осевой размер a2 так как радиальный размер d2 ограничен (d2≤0752). Обычно a2=15÷5d2 (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей механической мощностью.
Если по расчёту получается a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в основном направлении на расстояние aк=15÷25a2.
Радиальный размер канала индукционной единицы:
Для получения наибольшего электрического КПД э и коэффициента мощности cosφ размер канала в радиальном направлении d2 выбирается в соответствии с неравенством
где: 2 - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
d2=0682=0680033=002244 м
Принимаем d2=0022 м.
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
lв=Dк+d2=04129 +0022=04349 м
где: d2 - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
l'в=Dк+2d2=04129 +20022=04569 м
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения что IuNuIкNк. Как указывалось выше число витков канала Nк=1 поэтому ток в жидком металле в канале определяется:
Iк=IuNu=1073739=418743 А
Плотность тока в жидком металле в канале печи:
jк=Pк.уд.ρ2=501062110-8=1543106 Ам2
где: Pк.уд. - удельная мощность в жидком металле Втм3; Pк.уд.=50106 Втм3.
ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в расплавленном состоянии Омм.
Для некоторых металлов и сплавов значения jк и Pк.уд. приведены в справочных таблицах. Эти значения получены на основании большого опыта проектирования и эксплуатации ИКП.
Рекомендованная плотность тока в жидком металле в канале печи для меди (100% Cu) 15106 Ам2. Рассчитанное значение близко к рекомендуемому.
Sк=Iкjк=418743 1543106=000271 м2
где: jк - плотность тока в канале Ам2;
Осевой размер канала a2 (прямоугольное сечение канала):
a2=Sкd2=0002710022=0123 м
Отношение осевого размера канала к радиальному: a2d2=0123 0022=561.
Так как a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в осевом направлении на расстояние ak:
ak=15a22=150123 2=00922 м
Осевой размер каждого канала:
a'2=a22=0123 2=00615 м
Отношение осевого размера канала к осевому размеру индуктора:
a2au=0123 0468=02628
Активное сопротивление меди индуктора:
R1=115210-839314026598410-6=8910-3 Ом
где: 115 - коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по сечению провода индуктора.
Мощность потерь в меди индуктора:
Pu=R1Iu2=8910-3107372=102784 Вт
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора:
Pcm.n.=pсmс=117432=8175 Вт
где: pс - удельные потери в стали определённой марки при индукции принятой при расчёте (определяется по справочной литературе); pс=11 Вткг.
Активная мощность передаваемая в канал печи:
Pк=Pn-Pu-Pcm.n.=285600-102784-8175=274504 Вт
Мощность Pк отличается от мощности в жидком металле (в "чистом " виде) P'к на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне ИКП.
Энергетическая диаграмма:
где: Pn - активная мощность печи;
Pu - электрические потери в меди индуктора;
Pcm.n. - электрические потери в стали печного трансформатора;
Pn.к. - тепловые потери в подовом камне печи;
Pm.в. - тепловые потери ванны печи;
Pк - активная мощность в канале печи.
Объём двух каналов определяется через передаваемую мощность в канал печи:
Vк=PкPк.уд.=274504 50106=000549 м3
Расчётное значение длины канала по средней линии:
lк=VкSк=000549000271=2026 м
где: Vк - объём канала;
Sк - сечение канала.
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу:
l'к=lв=31404349=137 м
Полученные значения lк и l'к должны быть достаточно близкими причём очевидно что расхождение должно определяться неравенством l'кlк. В противном случае необходимо проводить коррекцию расчёта.
Размеры отдельных участков канала печи определяются с использованием эскиза печи:
Длина участка m2=005 м;
Длина участка m3=10117 м.
Полная длина канала по средней линии:
lк=m1+2m2+m3=067+2005 +1236=2026 м
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси стержня магнитопровода:
Dф=l'в+2dф.н.=04569 +201=06569 м
Толщина наружной части футеровки канала dф.н. должна быть больше толщины футеровки между каналом и проёмом подового камня dф.
Оценка соотношения размеров подового камня и "окна" магнитопровода проводится с целью возможности размещения подового камня в "окне" магнитопровода. Используя результаты расчёта длин отдельных участков магнитопровода определяется расстояние между участками lс2 и lcm.
l=lс3-2Sc=0729-200341=03597 м
Расстояние от горизонтальной оси стержня магнитопровода до наружной стенки подового камня по вертикальной оси:
l'=Dф2=06488 2=03244 м
Длина части подового камня размещённая в "окне" магнитопровода:
l''=l'-Sc2=03244 -003412=03073 м
Расчёты показывают что l>l''. Подовый камень может быть размещён в "окне" магнитопровода.
mм.к.=γм.ж.Vк.u.=γм.ж.a22m2+lв2d2+2m3
mм.к.=830001232005+3140434920022+00332026=858 кг
металла в ванне печи:
mм.в.=G-mм.к.=1050-858=9642 кг
Объём ванны печи занятой жидким металлом:
Vв.п.=mм.в.γж.м.=9642 8300=01162 м3
Высота жидкого металла в ванне печи:
hм.в.=4Vв.п.Dв2=401162 3140642=0361 м
Диаметр ванны печи Dв=064 м принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
где: V'в.п. - объём несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Масса несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
m'м.в.=Gб-mм.к.=300-858=2142 кг
Объём несливаемой части жидкого металла:
V'в.п.=m'м.в.γж.м.=2142 8300=00258 м3
h'м.в.=400258 3140642=008 м
Величина давления создаваемого электродинамическими силами и сжимающего металл в закрытых каналах:
Fсж=005098510-4Iкa22= атм
Fсж=005098510-4431410-7418743 01232=07422 атм
Полученное значение меньше атмосферного давления поэтому нет необходимости увеличения высоты жидкого металла в ванне печи.
Эскиз канальной части индукционной печи:
Расчёт электрических параметров ИКП Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части активное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по выражениям:
при d22 R2=ρ2lda2d2+la22
при d2>2 R2=ρ2ld+la22
l - длина (по средней линии) пути тока канальной части не ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный металл или сплав т. е. предполагается что радиальный размер канала d2=2.
ld=m1+2m2=069 +2005=079 м
R2=ρ2lda2d2+la22=2110-80790123 0022+20260123 0033=166110-4 Ом
Активное сопротивление нагруженного индуктора:
где: R1 - активное сопротивление меди индуктора.
Приведённое сопротивление жидкого металла или сплава в канальной части печи:
R'2=Nu2R2=392166110-4=0253 Ом
Ru=8910-3+0253=0262 Ом
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора:
Xu=8fNu2Dpdskrks10-6au
где: Dp - средний (расчётный) диаметр зазора;
ds - приведённое расстояние между индуктором и каналом;
kr - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы индуктор - канал;
ks - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора au и a2.
Индуктивное сопротивление системы индуктор - канал возрастает с уменьшением отношения её поперечного сечения к её длине. Индуктивность системы тем больше чем больше поток рассеяния который растёт с увеличением площади пространства между индуктором и каналом что и учитывается произведением Dpds.
Средний (расчётный) диаметр зазора:
Dр=lв+D1u2=04349+028292=0359 м
Приведённое расстояние между индуктором и каналом:
ds=lв-D1u2+d1+d23=04349-028292+0015+00223=008833 м
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор - канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно пропорциональна его высоте т. е. его осевому размеру au. Конечная длина системы индуктор - канал учитывается коэффициентом Роговского.
Коэффициент Роговского:
kr=1-lв-D1u+2d1+2d22au
kr=1-04349-02829+20015+2002223140468=0923
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров индуктора au и канала a2.
где: α=au-a2au=0468-01230468=07372.
ks=1+073721+07372046800883335=2033
Xu=83145039203590088330923203310-60468=0243 Ом
Полное сопротивление нагруженного индуктора:
где: Zu=Ru2+Xu2=0262 2+02432=0357 Ом ;
φu=arctgXuRu=arctg02430262=428 .
Коэффициент мощности печи:
cosφu=cosarctgXuRu=cosarctg02430262=073
Полученное значение cosφu=066 отличается от первоначально выбранного незначительно cosφu=07.
Iu=UuZu=3800357=1064 А
Полная мощность индуктора:
Su=UuIu=3801064=4045 кВА
Активная мощность индуктора:
Pu=Sucosφu=4045 073=295342 кВт
Полученные значения тока и мощности не значительно превышают ранее рассчитанные значения тока и мощности. Принятый в начале электропечной трансформатор сможет обеспечить соответствующее питание ИКП.
Полученное значение активной мощности не превышает 300 кВт поэтому число индукционных единиц n и число фаз m остаются такими же.
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности до величины 095:
Qc=Ptgφ1-tgφ2=2953420936-0329=1793 кВар
где: tgφ1 - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности ИКП;
tgφ2 - соответствуют заданному коэффициенту мощности.
После определения Qc используя справочную литературу подбирается соответствующий конденсатор.
Выбираем конденсатор косинусный КС-2-038-50-2УЗ с номинальным напряжением 380 В номинальной мощностью Qcном=50 кВар и номинальной ёмкостью Cном=1102 мкФ.
Для того чтобы обеспечить повышение коэффициента мощности до величины 095 необходимо включить параллельно индуктору печи пять конденсаторов КС-2-038-50-2УЗ.
tgφ2=tgφ1-QcP=0936-450295342=0259
Коэффициент мощности с учётом компенсации:
Реактивный ток индуктора печи до компенсации:
Ipn=Insinφu=1064068=7272 А
Реактивный ток печи после компенсации:
I'pn=Ipn-Ic=7272 -5263 =2009 А
Ic=5QcUном=450000380=5263 А
Активная составляющая тока печи:
Ian=Incosφu=1064073=7767 А
Потребляемый ток печи после компенсации:
I=Ian2+I'pn2=77672+2009 2=8023 А
Плотность тока в меди индуктора:
ju=IuSм=106484=1266 Амм2
Ik=IuN=106439=41496 А
Плотность тока в канале печи:
jk=IkSk=414962710=153 Амм2
э=Pu-PucmPu=295342-10893 295342=096
где: Pucm=Pu+Pc - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали магнитопровода;
Pu=R1Iu2=8910-310642=100757 Вт
Pucm=100757+8175=10893 Вт.
Более точно тепловой КПД печи может быть получен на основании теплового расчёта. Если по тепловому расчёту значение т окажется ниже то это означает реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
Задачей теплового расчёта является определение температуры наружной поверхности футеровки расчёт тепловых потерь и теплового КПД печи.
Тепловые потери рассчитываем для установившегося теплового режима при номинальном заполнении ванны расплавом причём температуру внутренней стенки печи принимаем равной tк=12750С.
Расчёт тепловых потерь произведён методом последовательных приближений до сходимости значений температур на границах слоёв футеровки.
Тепловые потери излучением с зеркала ванны:
Pизл=c0Tk1004-T01004Dв24
где: - степень черноты расплава; =015 (табл. П-21);
T0 - температура окружающего воздуха К; T0=293 К;
Tk - абсолютная температура газов на уровне садочного окна К;
- коэффициент диафрагмирования; =056 (табл. П-22);
c0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела c0=57.
Pизл=0155715481004-293100431406424056=8829 Вт
Тепловые потери через боковую стенку ванны:
Pб.с.=2hм.в.Tк-Tиз1λфlnDф-2bизDв+1λизlnDфDф-2bиз
где: Tиз - допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции (на границе с электрической изоляцией индуктора) для расчётов можно принять Tиз423 К;
λф и λиз - теплопроводность футеровки и теплоизоляции при средней температуре соответствующего слоя;
На боковых стенках ИКП используется слой футеровки из огнеупорного материала и один теплоизоляционный слой. В качестве материала теплоизоляции используется каолиновая вата ВК материала огнеупора - корунд легковесный марки КЛ-13.
Принимаем температуру на границе футеровки и теплоизоляционного слоя t2=5510С а температуру снаружи теплоизоляционного слоя t3=550С при этом допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции tизол=1500С.
Средние температуры слоя футеровки и теплоизоляции:
tср.ф.=tк+t22=1275+5512=9130С
tср.изол.=t2+t32=551+552=3030С
Средние значения коэффициентов теплопроводности слоёв (табл. П-14 15):
Теплопроводность слоя огнеупора:
λф=0835+03510-3tср.ф.=0835+03510-3913=1154 Втм0С
Теплопроводность слоя теплоизоляции:
λизол=003+02210-3tср.изол.=003+02210-3303=0097 Втм0С
Толщина теплоизоляционного слоя:
Внутренний диаметр теплоизоляционного слоя:
Тепловое сопротивление слоя футеровки:
Rt2=1λф2hм.в.lnDфDв=1115423140361 ln06569064=001 0СВт
Тепловое сопротивление теплоизоляционного материала:
Rt3=1λизол2hм.в.lnDф+bизолDф=1009723140361ln06569+00206569=0136 0СВт
Pб.с.=231403611548-42311154ln06569-2002064+10097ln0656906569-2002=25505 Вт
Проверка значений температур на границах слоёв:
t2=1275-25505001=12495 0С
tизол=12495-255050136=9026 0С
Расхождение расчётных значений с ранее заданными незначительные.
Тепловые потери через крышку:
Pт.к.=tк-t0biλiSiср+1αкSк=tк-t0Rti
Предполагается что крышка плоская.
Толщина внутреннего слоя огнеупорного бетона составляет b1=007 м; слой кирпичной кладки марки ШЛБ-10 составляет b2=003 м; слой асбестового картона марки КАОН составляет b3=0005 м.
Значения температур на границах слоёв:
tк=t1=12750С; t2=8120С; t3=4900С; t4=3400С
Средняя по толщине температура соответствующего слоя:
Средняя температура слоя огнеупорного бетона:
t1ср=1275+8122=10435 0С
Средняя температура слоя кирпичной кладки:
t2ср=812+4902=651 0С
Средняя температура слоя асбестового картона:
t3ср=490+3402=415 0С
Площадь сечения i-того слоя футеровки крышки:
Si=Di22bизол2=314(105692+2002)2=182 м2
где: Di - диаметр соответствующего слоя в крышке.
Средние значения коэффициентов теплопроводности слоёв:
Для слоя огнеупорного бетона:
λ1ср=2-06510-3t1ср=2-06510-310435=1322 Втм0С
Для слоя кирпичной кладки:
λ2ср=035-03510-3t2ср=035-03510-3651=0578 Втм0С
Для слоя асбестового картона:
λ3ср=0128-025610-3t3ср=0128-025610-3415=0234 Втм0С
Тепловые сопротивления слоёв:
Rt1=b1λ1срS1ср=0071322182=003 0СВт
Rt2=b2λ2срS2ср=0030578182=0029 0СВт
Rt3=b3λ3срS3ср=00050234182=0012 0СВт
Тепловое сопротивление слоя воздуха на внешней поверхности крышки:
Rt4=1αкSi=1355182=0015 0СВт
где: αк - коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией с наружной поверхности крышки; αк=355 Втм0С (табл. П-18).
Pт.к.=tк-t0biλiSiср+1αкSк=tк-t0Rti=1275-20003+0029+0012+0015=14593 Вт
t2=1275-14593003=8372 0С
t3=8372-145930029=414 0С
t4=414-145930012=2396 0С
Расчётные значения температур совпадают с ранее заданными.
Общие тепловые потери:
Pт=11Pб.с.+Pизл21k+Pт.к.
где: kд - коэффициент дополнительных (неучтённых расчётом) тепловых потерь;
k - коэффициент учитывающий время работы печи с закрытой крышкой;
Pт=1125505+88290309075+14593=193507 Вт
Полезная мощность необходимая для нагрева шихты до температуры плавления расплавления загрузки и перегрева расплава до конечной температуры.
Pпол=210105009=245000 Вт
где: Cр - энтальпия; Cр=210 Втчкг.
Активная мощность которую нужно подвести к нагрузке чтобы обеспечить требуемую производительность:
P2=PполPт=245000+193507=2643507 Вт
т=PполP2= 2450002643507=0927
Основные технические характеристики ИЛК-075 (100% Cu)
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность
первичное напряжение
вторичное напряжение
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп. Л.И.Иванова Л.С.Гробова Б.А.Сокунов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ 2002. 105 с.
Электротермические установки: Учебное пособие Б.А.Сокунов Л.С.Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 2004. 122 с.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия 1967. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1968. 496 с.
Цыганов В.А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия 1974. 248 с.: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной металлургии. М.: Металлургия 1971. 320 с.
Фомин Н.И. Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов А.Е.Слухоцкий В.С.Немков Н.А.Павлов А.В.Бамунэр; Под ред А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат Ленинградское отд-ние 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна Б.П.Платонов А.Д.Акименко С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич Н.М.Некрасова А.Д.Свенчанский; Под ред. А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат 1982.
Болотов А.В. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. шк. 1988. 336 с.: ил.
Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848 с.: ил.
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин Н.А.Смирягина А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия 1974. 488 с.: ил.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред. Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии 1961. 872 с.: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-справочное руководство. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988. 432 с.: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкий и др.; Под ред. А.П.Альтгаузена М.Д.Бершицкого М.Я.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических цепей: Учебник. М.: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. 304 с.: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под общей ред. А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с.: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных металлов и сплавов. М.: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М.: Металлургия 1984. 232 с.: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.: Энергоатомиздат 1983. 120 с.: ил.
Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия 1989. 231 с.
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с.: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов И.П.Копылов Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.; Под ред. И.П.Копылова. М.: Энергия 1980. 496 с.: ил.

ИЛК-0,75.dwg

7 вариант.doc

[pic]Задание на курсовую работу
№ Полная Металл или сплав
105 Латунь Л63 (63% Сu 37 % Zn)
Задание на курсовую работу ..1
Определение емкости печи ..4
Расчет сечения магнитопровода печного трансформатора индукционной
канальной печи шахтного типа для плавки латуни Л90 13
Расчет геометрических размеров и числа витков индуктора. Расчет
геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора .16
Расчет геометрических размеров канальной части индукционной
Расчет электрических параметров индукционное канальной печи. Определение
мощности конденсаторной батареи необходимой
для повышения коэффициента мощности печи .24
Библиографический список
Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу
действия силового трансформатора работающего в режиме короткого замыкания.
Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного
трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.
Конструктивно печь состоит (рис. 1) из футерованной ванны 2 в которой
помешается почти вся масса расплавляемого металла 3 и находящейся под
ванной индукционной единицы 4.
Ванна сообщается с плавильным каналом 5 также заполненным расплавом.
Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее
Система индуктор - магнитопровод называется печным трансформатором.
Футеровка образующая плавильный канал называется подовым камнем 6 Подовый
камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7 в
который вставляется индуктор 4 навитый на стержень замкнутого
Индукционная единица объединяет печной трансформатор и подовый камень
Индуктор является первичной обмоткой трансформатора а роль вторичного
витка выполняет расплавленный металл заполняющий канал и находящийся в
Ток протекающий во вторичной цепи вызывает нагрев расплава при этом
почти вся энергия выделяется в канале имеющем малое сечение (в канале
поглощается 90 - 95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл
нагревается за счет тепло- и массообмена между каналом и ванной.
Перемещение металла обусловлено
главным образом электродинамическими усилиями возникающими в канале и в
меньшей степени конвекцией связанной с перегревом металла в канале по
Рис. 2.1. Устройство ванне. Перегрев ограничивается
индукционной некоторой допустимой
канальной печи шахтного лимитирующей допускаемую мощность в
Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторичной
цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла и
дозагрузка соответствующего количества новой шихты. Все канальные печи
работают с остаточной емкостью составляющей обычно 20 - 50 % полной
емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом.
Замораживание металла в канале не допускается во время межплавочного
простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.
Индукционные канальные печи в основном используются для плавки
цветных металлов (медь и сплавы на медной основе - латуни бронзы
нейзильберы мельхиоры куниали цинк алюминий и их сплавы) и чугуна а
также в качестве миксеров для тех же металлов. Использование индукционных
канальных печей для плавки стали ограничивается из-за недостаточной
стойкости футеровки.
Индукционные канальные миксеры предназначены для перегрева жидкого
металла выравнивания состава создания постоянных температурных условий
литья и в ряде случаев для дозирования и регулирования скорости литья в
кристаллизаторы литейных машин или в литейные формы.
Классификация индукционных канальных печей и миксеров.
Печь ИЛК - шахтного и барабанного типов - предназначена для плавки меди и
сплавов на медной основе.
Миксер ИЛКМ предназначен для выдержки перегрева и разливки меди и сплавов
Печь ИАК предназначена для плавки алюминия и его сплавов.
Миксер ИАКР предназначен для перегрева поддержания стабильной температуры
жидкого алюминия и заливки его непосредственно в литейные формы.
Печь ИЦК предназначена для плавки катодного цинка.
Миксер ИЧКМ - шахтного и барабанного типов - предназначен для выдержки
перегрева разливки жидкого чугуна может работать в комплекте с
вагранками или индукционными тигельными печами или дуговыми печами
Миксер раздаточный ИЧКР предназначен для перегрева поддержания стабильной
температуры жидкого чугуна и заливки его непосредственно в литейные формы
работает в комплексе с литейными машинами и литейными конвейерами.
К основным достоинствам индукционных канальных печей можно отнести:
Минимальный угар (окисление) и испарение металла так как нагрев
происходит снизу. К наиболее нагретой части расплава находящейся в
каналах нет доступа воздуха а поверхность металла в ванне имеет
сравнительно низкую температуру.
Малый расход энергии на расплавление перегрев и выдержку металла.
Канальная печь имеет высокий электрический КПД благодаря использованию
замкнутого магнитопровода.
В то же время высок и тепловой КПД печи так как основная масса расплава
находится в ванне имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.
Однородность химического состава металла в ванне благодаря
циркуляции расплава обусловленной электродинамическими и тепловыми
усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.
К основным недостаткам индукционных канальных печей относятся:
Тяжелые условия работы футеровки канала - подового камня.
Стойкость этой футеровки снижается при повышении температуры расплава при
плавке сплавов содержащих химически активные компоненты (например бронзы
имеющие в своем составе олово и свинец). Затруднена плавка в этих печах
также низкосортной загрязненной шихты - вследствие зарастания каналов.
Необходимость постоянно (даже при длительных перерывах в работе)
держать в печи сравнительно большое количество расплавленного металла.
Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и к ее
растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной
марки выплавляемого сплава на другую. В этом случае приходится проводить
ряд балластных переходных плавок. Постепенной загрузкой новой шихты меняют
состав сплава от исходного до требуемого.
Шлак на поверхности ванны имеет низкую температуру. Это затрудняет
проведение нужных металлургических операций между металлом и шлаком. По
этой же причине а также ввиду малой циркуляции расплава вблизи поверхности
затруднено расплавление стружки и легкого скрапа.
Определение емкости печи.
Характеристики латуни Л63 (63% Cu 37% - Zn)
Температура плавления . tп=9050С
Температура разлива . . tр=10700С
Плотность при t=200C . .[pic]
Плотность в жидком состоянии при t=200C [pic]
Удельное сопротивление в жидком состоянии [pic]
Теплоемкость в диапазоне температур t=20-9050 C C1= 0.1124 [pic]
Теплоемкость в диапазоне температур t=905-10700 C ..C2= 0.1162 [pic]
Скрытая теплота плавления ..[pic]
Энтальпия при температуре t=10700C .[pic]
Принимаем для расчета печь шахтного типа рис.1.
Печь шахтного типа — плавильная камера выполнена в виде вертикального
цилиндра 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.
1 Определение остаточной емкости (емкости болота) индукционной
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.
где [pic]- коэффициент учитывающий остаточную емкость (массу болота). Этот
коэффициент принимают равным 02 – 05; причем меньшие значения - для печей
емкостью более 1 тонны а большие - для печей емкостью менее 1 тонны.
2 Определение полезной емкости печи.
[pic] = [pic] + [pic] т.
[pic]= [pic] -[pic]=1.05- 0.21=0.84 т.
3 Определение ориентировочного объема жидкого металла в ванне печи
Значение плотности сплава Л63 в горячем состоянии принято
умж = 7800 кгм3 по данным табл. 1.
4 Определение количества тепла необходимого для нагрева сплава Л63
массой Gn = 0.84т при теплоемкости С1=0.1124 [pic] от начальной
температуры tн = 200С до температуры плавления tплав = 905С0
5 Определение количества тепла необходимого для перевода сплава Л63
массой Gn = 0.84т при температуре плавления tплав = 905С0 в расплавленное
состояние при скрытой теплоте плавления [pic]
6 Определение количества тепла необходимого для доведения сплава
Л63 массой Gn = 0.84т при теплоемкости С2=0.1162[pic] от температуры
плавления tплав = 905С0 до температуры разливки tр = 1070С0
7 Определение количества тепла теоретически необходимого для
расплавления и доведения до температуры разливки сплава массой Gn= 0.84 т.
где [pic] - тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения
до температуры разливки G кг сплава [ккал].
[pic] - тепло необходимое для нагрева сплава массой G кг при
теплоемкости [pic] от начальной температуры [pic] до температуры плавления
[pic] - тепло необходимое для перевода сплава массой G кг
при [pic] в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления [pic]
[pic] - тепло необходимое для доведения сплава массой G кг
при теплоемкости [pic] от температуры плавления [pic] до температуры
разливки [pic] ккал.
Характеристики некоторых металлов и сплавов расплавляемых в
индукционных канальных печах
Температура оС Плотность тм3 Удельная теплоемкость в жидком состоянииСкрытая
ккал(кг·град) теплота
Металл или сплав плавлени
плавлеперегревапри 20 оС в жидкомпри при при
ния перед состоянитемператтемператтемперат
разливкой и уре уре уре оС
Общий 060 –075 – 075 – 070 – 060 – 080 – 080 –
КПД печи 072 085 090 080 085 090 086
Число плавок в сутки : [pic]
где [pic] - длительность плавки и подогрева жидкого металла в часах
[pic] - длительность разливки загрузки чистки и т.д. в часах.
Технические характеристики индукционных канальных печей
ИЛК-075 ИЛК-1 ИЛК-16
активная кВт 197.48
Электропечной трансформатор
полная номинальная мощность кВА 400
первичное напряжение кВ 6 или 10
вторичное напряжение В 414-298
Коэффициент мощности
без компенсации 0.797
с компенсацией 0.948
без компенсации А 779.78
с компенсацией А 655.255
Коэффициент полезного действия печи 0.75
Электрический коэффициент
полезного действия 0.971
Тепловой коэффициент
полезного действия 0.772
Библиографический список.
Сарапулов Ф.Н. Введение в специальность «Электротехнологические
установки и системы»: Учебное пособие. Екатеринбург: УХТУ 1997. 92 с.
Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи: Учебное пособие для вузов. 2-
е изд. перераб. и доп. М.: Энергия. 1967. 416 с: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и
сплавов. Изд. доп. и перераб. М.: Металлургия. 1968.496 с.
Цыганов В .А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.:
Металлургия 1974. 24S с: 64 ил.
Башенко В.В. Донской А.В. Соломахин И.М. Электроплавильные печи
цветной металлургии. М.: Металлургия. 1971. 320 с.
Фомин Н.И.. Затуловскнй Л.М. Электрические печи и установки
индукционного нагрева. М.: Металлургия 1979. 247 с.
Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов
А.Е.Слухоцкий. В.С.Немков. Н.А.Павлов. А.В.Бамунэр: Под ред.
А.Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат. Ленинградское отд-ние. 1981. 328 с.
Индукционные печи для плавки чугуна .Б.П.Платонов А.Д.Акименко.
С.М.Багуцкая и др. М.: Машиностроение 1976. 176 с.
Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов
И.П.Евтюкова Л.С.Кацевич. Н.М.Некрасова. А.Д.Свенчанский: Под ред.
А.Д.Свенчанского. М.: Энергоиздат. 1982.
Болотов А.В.. Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для
вузов по спец. «Электроснабжение промпредприятий». М.: Высш. Шк. 1988. 336
Яворский Б.М.. Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука 1965. 848
Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник А.П.Смирягин.
Н.А.Смирягнна. А.В.Белова. 3-е изд. доп. и перераб. М.: Металлургия. 1974.
Справочник по обработке цветных металлов и сплавов Под ред.
Л.Е.Миллера. М.: Государственное научно-техн. изд-во литературы по черной и
цветной металлургии 1961. 872 с: ил.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности: Учебно-
справочное руководство. 3-е изд.. перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-
мат. лит. 1988. 432 с: ил.
Электрооборудование и автоматика электротермических установок:
Справочник А.П.Альтгаузен И.М.Бершицкнй и др.: Под ред. А.П.Алыгаузена
М.Д.Бершицкого М.Л.Смелянского В.М.Эдемского. М.: Энергия. 1978. 304 с.
Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических
цепей: Учебник. М: Энергия. Гл. ред. физ.-мат. лит.. 1977. 304 с: ил.
Электротермическое оборудование: Справочник Под обшей ред.
А.П.Альтгаузена. М.: Энергия 1980. 416 с: ил.
Фарбман С.А. Колобнев И.Ф. Индукционные электропечи для плавки цветных
металлов и сплавов. М: ОНТИ 1933.
Самохвалов Г.В. Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. М:
Металлургия 1984. 232 с: ил.
Брокмайер К. Индукционные плавильные печи Пер. с нем. Под ред. Шевцова
М.А. и Столова М.Я. М.: Энергия 1972. 304 с: ил.
Caсca B.C. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров. М.:
Энергоатомиздат. 1983.120 с: ил.
Caсca B.C. Футеровка индукционных электропечей. М.: Металлургия. 19S9.
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник
В.П.Берзан Б.Ю.Геликман М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского.
М.: Энергоатомиздат 1987. 656 с: ил.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов
И.П.Копылов Ф.А.Горяинов Б.К.Клоков и др.: Под ред. И.П.Копылова. М.:
Энергия 1980.496 с: ил.
[1] Значение коэффициента полезного действия уточняется после расчета.

саня.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ»
Кафедра электротехники и электротехнологических систем
по источникам вторичного электропитания
Для схемы активно-индуктивной нагрузки R и L (последовательное
соединение) частотой тока f рассчитать емкость компенсирующей
конденсаторной батареи чтобы угол между током и напряжением цепи нагрузки
Для схемы активно-индуктивной нагрузки с параметрами нагрузки R и L
(последовательное соединение) рассчитать емкость последовательной
конденсаторной батареи для создания режима резонанса что собственная
резонансная частота цепи нагрузки равнялась f.
Рассчитать переходный процесс в резонансной цепи п.3 при подаче на
вход U=100В. Построить временную диаграмму тока указать параметры
переходного процесса амплитуды первых положительной и отрицательной

Ответы на вопросы к экзамену.docx

1. Классификация ИП ЭТУ.
Тип технологического процесса.
Тип преобразователя. Элементная база.
Преобразователь частоты VD VS VT(IGBT).
От единиц до десятков кГц
Диэлектрический нагрев
Преобразователь частоты VD VT(Mosfet) электровакуум.
Сварочное оборудование
VD + ШИП (широкоимпульсный преобразователь IGBT).
Электромагнитное перемешивание и перекачка жидких металлов
Выпрямитель + Преобразователь частоты Управляемый выпрямитель
Элементная база ППЧ. Состав Частотные и мощностные свойства и мощностные характеристики полупроводниковых приборов.
Классификация инверторов.
Схемы для преобразования постоянного сигнала в переменный подразделяются на 2 класса: 1. автономные инверторы; 2. ведомые сети.
Классификация по типу преобразователя:
АИ тока однооперационные тиристоры
Квазирезонансные(IGBT Mosfet)
По типу переходных процессов:
Полумостовые (двухполупериодные)

Титульный.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ»
Кафедра «Электротехника и электротехнологические
по дисциплине « Электотехнологические установки и системы»
на тему «Индукционные канальные печи».
Пояснительная записка
Руководитель проекта А.А. Идиятулин
Студент А.А. Никитин

Методика.docx

Цель работы: пользуясь исходными данными произвести электрический и тепловой расчёты индукционной канальной печи.
- вид выплавляемого металла или сплава;
- характеристики расплавляемого металла или сплава:
- температура плавления и разливки;
- плотность в твёрдом и расплавленном состоянии;
- теплосодержание или энтальпия сплава при температуре разливки или теплоёмкость и скрытая теплота плавления;
- удельное сопротивление в твёрдом и расплавленном состоянии;
- характеристики печи:
- производительность печи;
- длительность плавки и длительность загрузки и разливки;
- характеристики питающей сети:
- частота питающей сети;
- напряжение сети или напряжение вторичной обмотки печного трансформатора питающего печь.
Содержание курсовой работы:
- описание конструкции и принципа действия печи;
- достоинства и недостатки ИКП;
- электрический расчёт ИКП;
- тепловой расчёт ИКП;
- расчёт охлаждения индуктора;
- выбор электропечного трансформатора по справочной литературе на основании расчёта мощности ИКП;
- выбор по справочной литературе конденсаторов предназначенных для повышения cosφ на основании расчёта ИКП;
- таблица основных параметров и характеристик ИКП полученных в результате расчётов;
- список используемой литературы.
- индукционная единица;
- магнитопровод печного трансформатора;
- печной трансформатор в сборе;
- индукционная канальная печь.
Определение ёмкости печи
Полная ёмкость печи:
где: Gп - полезная (сливаемая) ёмкость;
Gб - остаточная ёмкость (ёмкость болота).
Принцип действия канальной печи требует наличия постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому все канальные печи работают с остаточной ёмкостью составляющей обычно 20 - 50% полной ёмкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом.
Остаточная ёмкость (ёмкость болота):
Gб=kбG=0286105=03 кг
где: kб - коэффициент учитывающий остаточную ёмкость (массу болота).
kб = 02÷05. Меньшие значения - для печей ёмкостью более 1 тонны большие - для печей ёмкостью менее 1 тонны.
Если задана полезная ёмкость печи то полная ёмкость определяется по выражению:
G=Gп1-kб=0751-0286=105 кг
Значение величины производительности весьма относительно.
Характеристики меди (100% Cu)
перегрева перед разливкой
Удельная теплоёмкость в жидком состоянии ккалкг0С
Скрытая теплота плавления
Удельное сопротивление меди (100% Cu) в жидком состоянии:
Технические характеристики ИЛК-075
Производительность (ориентировочно) тсутки
Число индукционных единиц
Коэффициент мощности без компенсации
Масса печи общая с металлом т
Объём ванны печи заполняемый жидким металлом (сливаемым)
Vвп=Gγмж=10583=013 м3
где: мж - плотность металла в жидком состоянии кгм3.
Сечение ванны печи Sвп определяется после расчёта канала печи. Высота ванны hвп печи определяется по выражению:
Выбор формы ванны печи
Для индукционной канальной печи при загрузке 105 т выбираем печь шахтного типа.
Печь шахтного типа. Плавильная камера выполнена в виде вертикального цилиндра 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.
Печи с вертикальными каналами широко распространены. Перемешивание в них происходит интенсивно производить чистку каналов не сложно. Недостатком конструкции особенно при достаточной глубине ванны является большое гидростатическое давление в канале ухудшающее условия работы подового камня.
Определение мощности печи
Для оценки полезной мощности необходимо знать количество тепловой энергии достаточной для осуществления технологического процесса плавки металла или сплава.
Полезная активная мощность печи может быть определена через теплосодержание:
Pпол=Q361=Gпq2-q1361
где: Q - количество тепловой энергии необходимой для расплавления металла или сплава;
Gп - полезная ёмкость печи т;
q1 и q2 - начальное и конечное удельное теплосодержание металла Джкг;
- длительность плавки и подогрева жидкого металла ч.
Подводимая к печи активная мощность:
Pп=Pпол+Pт в+Pт и+Pи
где: Pт в - тепловые потери ванны печи;
Pт и - тепловые потери индукционных единиц;
Pи - тепловые потери в меди индуктора;
где: э - электрический КПД печи;
т - тепловой КПД печи.
На начальном этапе в предварительном расчёте значением п обычно задаются в пределах 06÷09 в зависимости от ёмкости мощности и назначения печи по известным из практики данным. Более высокие значения КПД относятся к печам большей ёмкости.
Ориентировочное значение КПД ИКП для плавки меди 06÷072.
Величину подводимой к печи активной мощности также можно определить через энтальпию:
где: Gп - полезная ёмкость печи кг;
cр - энтальпия металла или сплава при температуре разливки Втчкг.
Если величина теплосодержания (энтальпия) не известна то подводимая к печи мощность определяется по выражению:
где: Qт - тепло теоретически необходимое для расплавления и доведения до температуры разливки G кг сплава ккал.
Величина Qт определяется по выражению:
где: Q1 - тепло необходимое для нагрева сплава массой G кг при теплоёмкости C1 от начальной температуры tн до температуры плавления tп ккал;
Q2 - тепло необходимое для перевода сплава массой G кг при tп в расплавленное состояние при скрытой теплоте плавления λ ккал;
Q3 - тепло необходимое для доведения сплава массой G кг при теплоёмкости C2 от температуры плавления tп до температуры разливки tр ккал.
Полная мощность печи:
где: cosφ - коэффициент мощности ИКП.
При предварительном расчёте коэффициентом мощности печи обычно задаются в зависимости от расплавляемого металла или сплава для которого предназначена печь.
Это ориентировочное значение подтверждённое практикой эксплуатации без компенсации реактивной мощности.
Рекомендуемые предельные значения удельной мощности и плотности тока в канале ИКП для меди:
Активная мощность одной индукционной единицы:
где: n - число индукционных единиц.
Число индукционных единиц выбирают исходя из мощности печи с учётом 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 переходить к двухфазным или трёхфазным единицам либо применять несколько однофазных единиц.
Полная мощность одной индукционной единицы:
Удельный расход электроэнергии:
Ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии при плавке меди в ИКП:
Расчёт индукционной единицы
Предварительная оценка сечения магнитопровода печного трансформатора
Поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора:
где: Sn - полная мощность ИКП ВА;
Eu - ЭДС индуктора канальной печи В;
U1 витка - межвитковое напряжение в индукторе В;
f1 - частота питающей сети Гц.
Все ИКП работают на частоте 50 Гц поскольку достаточно высокий электрический КПД системы индуктор-канал может быть обеспечен на этой частоте при любом удельном сопротивлении расплавляемого металла и выполнении условия: d2≤0752 (d2 - радиальный размер канала печи; 2 - глубина проникновения тока в расплавленный металл).
Nu - число витков индуктора;
Фm - магнитный поток в магнитопроводе печного трансформатора Вб;
Bm - магнитная индукция в магнитопроводе печного трансформатора Тл(Вбм2);
Допустимую величину магнитной индукции B в магнитопроводе печного трансформатора ввиду тяжёлых условий работы принимают меньшей чем в обычных силовых трансформаторах.
Iu - ток в индукторе А;
jм - плотность тока в индукторе Ам2;
При воздушном охлаждении индуктора плотность тока не должна превышать 4 МАм2 а при водяном охлаждении должна быть не более 20 МАм2.
S'м - поперечное сечение проводника индуктора м2;
S'c - поперечное сечение магнитопровода печного трансформатора м2.
На основании опыта проектирования и эксплуатации ИКП и с учётом качества материала межвитковой изоляции индуктора межвитковое напряжение в индукторе печного трансформатора принимается 6 - 7 В на один виток на малых печах и 12 - 20 В на один виток - на больших печах.
Межвитковое напряжение принимается 7 - 10 В на один виток.
Таким образом ориентировочное значение величины сечения магнитопровода печного трансформатора может изменяться в довольно широком диапазоне:
S'c=6÷74445012=002252÷0026276=2252÷2627610-4 м2
S'c=12÷204445012=00450÷007507=4500÷750710-4 м2
S'c=7÷104445012=0026276÷0375375=26276÷37537510-4 м2
Расчёт поперечного сечения магнитопровода печного трансформатора
При введении дополнительных коэффициентов и обозначений поперечное сечение магнитопровода определяется по выражению:
Входящие в выражения для определения коэффициентов С и величины lм и lc обозначают соответственно длину одного витка индуктора и общую длину магнитопровода (всех стержней и ярем) в метрах.
При расчёте приняты значения плотности электротехнической стали γc =77103 кгм3 плотности меди обмотки γм =89103 кгм3 что соответствует коэффициенту 051 в определении коэффициента C. Исходя из практических результатов принято для однофазного броневого трансформатора C 028÷034; для стержневого трансформатора C 012÷02; для трёхфазного броневого пятикернового C 017÷02.
При принудительном воздушном охлаждении индуктора 5÷25; при водяном охлаждении для печей плавящих медь алюминий и цинк 25÷30; для печей-накопителей чугунолитейных цехов 80.
Площадь сечения стержня печного трансформатора с учётом межлистовой изоляции:
где: kз - коэффициент заполнения сталью.
Коэффициент заполнения сталью магнитопровода печного трансформатора
Коэффициент заполнения сталью kз
Толщина стального листа 035 мм
Толщина стального листа 05 мм
Лаковая толщиной 001 мм
Оксидированное покрытие
Магнитопровод печного трансформатора изготавливается из листовой электротехнической стали ярмо выполняется съёмным в связи с необходимостью регулярной сборки и разборки.
1419-1920Для устранения нагрева в месте стыка прижимное ярмо отделяется от стержней изолирующими прокладками толщиной 025 - 05 мм из электрокартона или миканита.
Пакет магнитопровода сжимается накладками из немагнитного металла с помощью стальных шпилек. Диаметр шпилек выбирается в пределах 12 - 16 мм а расстояние между ними обычно составляет 120 - 240 мм. Среднее давление сжатия листов должно быть не менее 03 МНм2. Допускаемое напряжение в шпильке до 90 МНм2. Шпильки изолируют от листов трансформаторной стали фибровыми бакелитовыми или миканитовыми трубками а накладки - листовым миканитом или асбестом.
Форма поперечного сечения стержня при небольшой мощности трансформатора квадратная или прямоугольная а при значительной мощности - крестообразная или ступенчатая.
Для печного трансформатора с магнитопроводом стержневого типа сечение стержня равно сечению ярма Sст=Sяр а для броневого - Sяр=Sст2.
Между стержнем и индуктором помещается изолирующая бумажно-бакелитовая или стеклотекстолитовая гильза закреплённая деревянными клиньями. Толщина изолирующей гильзы: dг=05÷110-2 м.
Внутренний диаметр изолирующей гильзы:
где: kф - коэффициент заполнения круга диаметром Dг зависящий от формы сечения стержня (или коэффициент заполнения материалом сердечника окружности описанной вокруг него);
Для квадратного сечения kф=064. Для ступенчатого сечения при числе ступеней 2 3 4 и 5 соответственно kф=064;081;083;085. Чем выше мощность печного трансформатора тем больше число ступеней сердечника.
Выбрав число ступеней можно найти наиболее выгодную ширину каждой ступени дающую наибольшую величину для коэффициента kф.
Однако для того чтобы разместить детали прессовки сердечника (гайки головки болтов нажимные и изолирующие пластины и т. д.) на практике при числе ступеней больше двух приходится отступать от наиболее выгодной (с точки зрения наибольшего заполнения) ширины каждой ступени.
Значения ширины ступеней стержня магнитопровода печного трансформатора
Наиболее выгодные размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
Практические размеры ступеней в долях диаметра круга описанного около сечения стержня сердечника
b1=0905; b2=0707; b3=0424
b1=085; b2=0665; b3=04
b1=0935; b2=08; b3=06; b4=0355
b1=088; b2=0752; b3=0564; b4=0334
b1=095; b2=0848; b3=0707; b4=0532; b5=0312
b1=0894; b2=0796; b3=0665; b4=05; b5=0293
Расчёт геометрических размеров и числа витков индуктора
Расчёт геометрических размеров магнитопровода печного трансформатора
Внутренний диаметр индуктора D1:
где: Dг - внутренний диаметр изолирующей гильзы;
dг - толщина изолирующей гильзы.
Число витков индуктора Nu:
Номинальное напряжение на индукторе не превышает 1000 В и чаще всего соответствует номинальному напряжению сети 220 380 или 500 В при питании от электропечного трансформатора. питание от сетей напряжением 6600 и 10000 В производится только через трансформаторы.
Площадь сечения проводника индуктора S'м:
При воздушном охлаждении индуктора как правило применяется провод прямоугольного сечения который наматывается на ребро при однослойном варианте.
Провод круглого сечения применяют лишь в том случае если его диаметр не превышает 6 мм.
При водяном охлаждении проводом служит неравностенная медная трубка с толщиной рабочей стенки (обращённой к каналу) 10 - 15 мм или равностенная - с толщиной стенки 2 - 25 - 5 мм.
Размеры трубки выбираются в соответствии с сортаментом выпускаемых промышленностью медных трубок по ГОСТ 16774-78.
Параметры медной профилированной трубки для индукторов промышленной частоты
Стандартный медный прямоугольный профиль
Радиус закругления r=410-3 м длина трубки не менее 30 м.
Индуктор изолируют киперной асбестовой лентой или лентой из стеклоткани: из.а=2÷3 мм; из.ст.т=1÷2 мм.
Индуктор как правило выполняется однослойным в редких случаях - двухслойным. Двухслойный вариант исполнения индуктора значительно сложнее конструктивно и имеет более низкий коэффициент мощности.
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.
При выборе провода индуктора с целью обеспечения минимума электрических потерь в индукторе рекомендуется соблюдать условие: d1≥1571 где d1- радиальный размер провода индуктора 1- глубина проникновения тока в материал индуктора.
Глубина проникновения тока в материал индуктора:
где: 1 - удельное сопротивление материала индуктора Омм;
=0r - магнитная проницаемость материала индуктора Гнм;
r - относительная магнитная проницаемость;
f - частота питающей сети с-1.
Осевой размер индуктора:
где: a1 - осевой размер провода индуктора;
из - толщина межвитковой изоляции.
Осевой размер провода индуктора для шинки прямоугольного сечения:
Площадь сечения проводника индуктора выполненного из трубки прямоугольного сечения:
S'м=a1d1-a1-2стd1-2ст
где: ст - толщина стенки трубки прямоугольного сечения.
Для ориентировочной оценки a1 используется коэффициент заполнения индуктора:
Элемент обмотки индуктора:
После выбора обмоточного провода по справочной литературе уточняются размеры a1 и d1.
Наружный диаметр индуктора:
Средний диаметр индуктора:
Исходя из опыта проектирования создания и эксплуатации ИКП установлено соотношение между осевой длиной индуктора au и длиной стержня lст магнитопровода печного трансформатора:
Длина стержня магнитопровода печного трансформатора:
Длина одного витка меди индуктора:
Полная длина магнитопровода:
Длина ярма магнитопровода:
Длины отдельных участков магнитопровода в зависимости от типа рассчитываются по эскизу. Например для однофазного печного трансформатора стержневого типа длина участка l2с=lст а длины участков l1с=l3с .
Печной трансформатор стержневого типа:
стали магнитопровода:
Расчёт геометрических размеров канальной части индукционной единицы
Диаметр проёма подового камня:
где: dв - расстояние от наружной поверхности индуктора до внутренней поверхности проёма подового камня;
При воздушном охлаждении подового камня рекомендуется принимать dв≥0015 м. При водяном охлаждении подового камня также рекомендуется применять и воздушное охлаждение. Для водяного охлаждения применяется кессон пустотелый разрезной цилиндр (или коробка - при квадратном сечении подового камня) из нержавеющей стали с циркулирующей в нём водой для охлаждения.
Внутренний диаметр канала на уровне оси стержня магнитопровода:
где: dф - толщина футеровки между каналом и проёмом подового камня.
Во избежание снижения коэффициента мощности электропечи толщина футеровки должна быть минимальной. Исходя из опыта проектирования и эксплуатации ИКП предложены рекомендации по величине dф. В зависимости от гидростатического давления металла в канале и прочности материала футеровки величина толщины футеровки может изменяться в пределах: dф=005÷013 м. Для медных сплавов и цинка: dф=0065÷007м при плавке алюминия: dф=007÷012 м. Для современных ИКП отношение наружного диаметра индуктора к внутреннему диаметру канала: D1uDк=065÷075.
Расстояние между устьями канала по средней линии на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
где: d2 - радиальный размер канала.
Расстояние между наружными стенками устьев канала на уровне оси стержня магнитопровода печного трансформатора:
Наиболее благоприятной с точки зрения уменьшения магнитных потоков рассеяния является прямоугольная или овальная форма поперечного сечения канала с большей стороной (осевой размер канала a2) расположенной параллельно оси индуктора.
Виды поперечных сечений каналов:
Для получения наибольшего электрического КПД э и коэффициента мощности cosφ размер канала в радиальном направлении d2 выбирается в соответствии с неравенством
где: 2 - глубина проникновения тока в жидкий металл канала.
Глубина проникновения тока:
где: ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Омм;
=0м - магнитная проницаемость расплавляемого металла или сплава в жидком состоянии Гнм;
f2 - частота тока в жидком металле канала f2=f.
С ростом мощности увеличивается сечение канала т. е. возрастает его осевой размер a2 так как радиальный размер d2 ограничен (d2≤0752). Обычно a2=15÷5d2 (для прямоугольного сечения).
При необходимости дальнейшего увеличения сечения вместо одного канала делают два или три параллельных канала. Такая конструкция обладает большей механической мощностью.
Если по расчёту получается a2>5d2 целесообразно принять два параллельных канала разнесённых в основном направлении на расстояние aк=15÷25a2.
Связь между длиной индуктора (осевой размер индуктора au) и осевым размером канала a2 приближённо устанавливается по величине коэффициента заполнения каналов:
В зависимости от числа каналов охватывающих индуктор этот коэффициент оычно лежит в пределах:
при одном канале: kз.к.=015-02 или kз.к.=02-04;
при двух каналах: kз.к.=025-03 или kз.к.=03-05;
при трёх каналах: kз.к.=03-035 или kз.к.=035-06;
Следует отметить что чаще встречаются значения kз.к. соответствующие нижним границам из диапазонов kз.к.. Коэффициенты заполнения каналов близкие к нижнему пределу берут при воздушном охлаждении индуктора а близкие к верхнему пределу - при водяном охлаждении индуктора.
Наиболее благоприятной с электротехнической точки зрения формой канала в продольном сечении является кольцевая форма повторяющая форму индуктора.
Варианты исполнения верхней части подового камня:
Иногда при выборе формы и размеров плавильных каналов приходиться руководствоваться в основном не электротехническими а технологическими соображениями. Например в печах для плавки алюминия а в отдельных случаях и цинка каналы подвержены зарастанию. Для относительного уменьшения зарастания и удобства чистки выбирают круглое квадратное или прямоугольное сечения каналов с радиальным размером d2 значительно превышающим рекомендованный. Обычно в этих печах d2≥01 м и a22d2. С целью удобства чистки в продольном сечении каналы этих печей выполняются из прямолинейных участков хотя это и ведёт к увеличению потоков рассеяния.
Ток в канале индукционной единицы находится исходя из предположения что IuNuIкNк. Как указывалось выше число витков канала Nк=1 поэтому ток в жидком металле в канале определяется:
где: jк - плотность тока в канале Ам2;
Плотность тока в канале:
где: Pк.уд. - удельная мощность в жидком металле Втм3;
ρ2 - удельное сопротивление расплавляемого металла или сплава в расплавленном состоянии Омм.
Для некоторых металлов и сплавов значения jк и Pк.уд. приведены в справочных таблицах. Эти значения получены на основании большого опыта проектирования и эксплуатации ИКП.
Осевой размер канала a2 (прямоугольное сечение канала):
Объём канала определяется через передаваемую мощность в канал печи:
Активная мощность передаваемая в канал печи:
Мощность Pк отличается от мощности в жидком металле (в "чистом " виде) P'к на величину тепловых потерь в ванне и подовом камне ИКП.
Энергетическая диаграмма:
где: Pn - активная мощность печи;
Pu - электрические потери в меди индуктора;
Pcm.n. - электрические потери в стали печного трансформатора;
Pn.к. - тепловые потери в подовом камне печи;
Pm.в. - тепловые потери ванны печи;
Pк - активная мощность в канале печи.
Мощность потерь в меди индуктора:
где: R1 - активное сопротивление меди индуктора.
Активное сопротивление меди индуктора:
где: 115 - коэффициент учитывающий неравномерное распределение тока по сечению провода индуктора.
Мощность потерь в стали магнитопровода печного трансформатора:
где: pс - удельные потери в стали определённой марки при индукции принятой при расчёте (определяется по справочной литературе);
Расчётное значение длины канала по средней линии:
где: Vк - объём канала;
Sк - сечение канала.
Минимальная длина канала рассчитанная по эскизу:
Полученные значения lк и l'к должны быть достаточно близкими причём очевидно что расхождение должно определяться неравенством l'кlк. В противном случае необходимо проводить коррекцию расчёта.
Толщина наружной части футеровки канала dф.н. должна быть больше толщины футеровки между каналом и проёмом подового камня dф.
Диаметр наружной части подового камня на уровне горизонтальной оси стержня магнитопровода:
С целью возможности размещения подового камня в "окне" магнитопровода проводится оценка соотношения размеров подового камня и "окна" магнитопровода с использованием эскиза.
Масса жидкого металла в канальной части индукционной единицы рассчитывается с использованием размеров эскиза индукционной единицы.
металла в ванне печи:
Объём ванны печи занятой жидким металлом:
Высота жидкого металла в ванне печи:
Диаметр ванны печи принимается большим чем осевой размер индуктора.
Высота несливаемой части жидкого металла в ванне печи:
где: V'в.п. - объём несливаемой части жидкого металла в ванне печи.
Как указывалось ранее направление электродинамических сил совпадает с направлением потока энергии - от индуктора в канал причём создаваемое этими силами давление равно нулю на обращённой к индуктору поверхности канала и имеет максимальную величину на противоположной (наружной поверхности). Максимальная величина давления почти не зависит от формы канала.
Величина давления создаваемого электродинамическими силами и сжимающего металл в закрытых каналах:
Fсж=0050985Iкa22= кгм2
Fсж=005098510-4Iкa22= кгсм2
Fсж=005098510-4Iкa22= атм
Силами противодействующими электродинамическому сжатию в закрытых каналах являются гидростатическое давление металла в канале и атмосферное давление на поверхность зеркала металла в ванне.
Возможность пережатия металла в канале будет исключена если противодействующие силы создают давление больше чем давление созданное электродинамическими силами.
Эскиз канальной части индукционной печи:
Расчёт электрических параметров ИКП Определение мощности конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности печи
В зависимости от конструкции канальной части рактивное сопротивление расплавленного металла или сплава в канале и ванне печи определяется по выражениям:
при d22 R2=ρ2lda2d2+la22
при d2>2 R2=ρ2ld+la22
l - длина (по средней линии) пути тока канальной части не ограниченной стенками канала.
На этом участке сечение канальной части определяется как произведение осевого размера канала и глубины проникновения тока канала в расплавленный металл или сплав т. е. предполагается что радиальный размер канала d2=2.
Активное сопротивление канала:
ρ2 - удельное сопротивление жидкого металла Омм;
kn.э. - коэффициент учитывающий неравномерное распределение переменного тока по сечению канала.
Графики для определения поправочного коэффициента:
Коэффициент kn.э. зависит от размеров сечения канала от частоты тока и удельного сопротивления металла. Для каналов круглого овального и прямоугольного сечений с отношением сторон не более 3:1 kn.э. определяют из графика (а) по аргументу:
Для каналов овального и прямоугольного сечений с соотношением сторон более 3:1 kn.э. определяют из графика (б) по аргументу:
где: d2 - ширина канала м.
Приведённое сопротивление расплавленного металла или сплава в канале рассчитывается аналогично приведённому сопротивлению вторичной обмотки трансформатора:
Активное сопротивление нагруженного индуктора:
Индуктивное сопротивление нагруженного индуктора:
Xu=8fNu2Dpdskrks10-6au
где: Dp - средний (расчётный) диаметр зазора;
ds - приведённое расстояние между индуктором и каналом;
kr - коэффициент Роговского учитывающий конечную длину системы индуктор - канал;
ks - коэффициент учитывающий увеличение индуктивного сопротивления вследствие различия осевых размеров индуктора au и a2.
Индуктивное сопротивление системы индуктор - канал возрастает с уменьшением отношения её поперечного сечения к её длине. Индуктивность системы тем больше чем больше поток рассеяния который растёт с увеличением площади пространства между индуктором и каналом что и учитывается произведением Dpds.
Средний (расчётный) диаметр зазора:
D1u - наружный диаметр индуктора.
Приведённое расстояние между индуктором и каналом:
где: d1 - радиальный размер индуктора;
d2 - радиальный размер канала.
Индуктор к которому приводится сопротивление системы индуктор - канал представляет собой соленоид. Индуктивность соленоида обратно пропорциональна его высоте т. е. его осевому размеру au. Конечная длина системы индуктор - канал учитывается коэффициентом Роговского.
Коэффициент Роговского:
kr=1-lв-D1u+2d1+2d22au
Поток рассеяния увеличивается с увеличением отношения осевых размеров индуктора au и канала a2.
Полное сопротивление нагруженного индуктора:
Коэффициент мощности печи:
Полная мощность индуктора:
Активная мощность индуктора:
После проведения расчётов Ru Xu Zu Iu Pu Su необходимо сравнить полученные результаты с принятыми и рассчитанными ранее значениями этих величин.
После первого цикла расчётов необходимо произвести коррекцию т. к. в начале расчёта многие характеристики и коэффициенты задаются исходя из рекомендаций полученных на основании опыта проектирования и расчёта ИКП.
Коррекция расчёта может быть связана с изменением числа витков и размеров индуктора размеров магнитопровода и канальной части индукционной единицы.
Как правило ИКП оснащаются батареями косинусных конденсаторов необходимых для повышения коэффициента мощности до заданной величины. Обычно коэффициент мощности ИКП с учётом компенсации равен cosφ=095.
Мощность конденсаторной батареи необходимой для повышения коэффициента мощности до заданной величины:
где: tgφ1 - соответствует рассчитанному значению коэффициента мощности ИКП;
tgφ2 - соответствуют заданному коэффициенту мощности.
После определения Qc используя справочную литературу подбирается соответствующий конденсатор.
где: Pucm=Pu+Pc - суммарная мощность потерь в меди индуктора и стали магнитопровода.
Более точно тепловой КПД печи может быть получен на основании теплового расчёта. Если по тепловому расчёту значение m окажется ниже то это означает реальная производительность печи будет ниже рассчитанной.
Задачей теплового расчёта является определение температуры наружной поверхности футеровки расчёт тепловых потерь и теплового КПД печи.
Тепловые потери рассчитываем для установившегося теплового режима при номинальном заполнении ванны расплавом причём температуру внутренней стенки печи принимаем равной tк=12250С.
Расчёт тепловых потерь произведён методом последовательных приближений до сходимости значений температур на границах слоёв футеровки.
Тепловые потери излучением с зеркала ванны:
Pизл=c0Tk1004-T01004D224=
где: - степень черноты расплава;
T0 - температура окружающего воздуха К; T0=293 К;
Tk - абсолютная температура газов на уровне садочного окна К;
- коэффициент диафрагмирования;
c0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела c0=57.
Тепловые потери через боковую стенку ванны:
Pб.с.=2h2Tк-Tиз1λфlnD1-2bизD2+1λизlnD1D1-2bиз
где: Tиз - допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции (на границе с электрической изоляцией индуктора) для расчётов можно принять Tиз423 К;
λф и λиз - теплопроводность футеровки и теплоизоляции при средней температуре соответствующего слоя;
На боковых стенках ИКП используется слой футеровки из огнеупорного материала и один теплоизоляционный слой. В качестве материала теплоизоляции используется каолиновая вата ВК материала огнеупора - корунд легковесный марки КЛ-13.
Принимаем температуру на границе футеровки и теплоизоляционного слоя t2=5510С а температуру снаружи теплоизоляционного слоя t3=550С при этом допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции tизол=1500С.
Средние температуры слоя футеровки и теплоизоляции:
Средние значения коэффициентов теплопроводности слоёв:
Теплопроводность слоя огнеупора:
λф=0835+03510-3tср.ф.
Теплопроводность слоя теплоизоляции:
λизол=0835+03510-3tср.изол.
Толщина теплоизоляционного слоя:
Внутренний диаметр теплоизоляционного слоя:
Тепловое сопротивление слоя футеровки:
Rt3=1λизол2hм.в.lnDф+bизолDф
Проверка значений температур на границах слоёв:
Расхождение расчётных значений с ранее заданными незначительные.
Тепловые потери через крышку:
Pт.к.=tк-t0biλiSiср+1αкSк=tк-t0Rti
Предполагается что крышка плоская.
Толщина внутреннего слоя огнеупорного бетона составляет b1=007 м; слой кирпичной кладки марки ШЛБ-10 составляет b2=003 м; слой асбестового картона марки КАОН составляет b3=0005 м.
Значения температур на границах слоёв:
tк=t1=12250С; t2=8120С; t3=4900С; t4=3400С
Средняя по толщине температура соответствующего слоя:
Средняя температура слоя огнеупорного бетона:
Средняя температура слоя кирпичной кладки:
Средняя температура слоя асбестового картона:
Площадь сечения i-того слоя футеровки крышки:
где: Di - диаметр соответствующего слоя в крышке.
Для слоя огнеупорного бетона:
λ1ср=2-06510-3t1ср= Втм0С
Для слоя кирпичной кладки:
Для слоя асбестового картона:
Тепловые сопротивления слоёв:
Rti=biλiсрSiср= 0СВт
Тепловое сопротивление слоя воздуха на внешней поверхности крышки:
где: αк - коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией с наружной поверхности крышки; αк=18 Втм0С.
Расчётные значения температур совпадают с ранее заданными.
Общие тепловые потери:
Pт=kдPб.с.+Pизл21k+Pт.к.
где: kд - коэффициент дополнительных (неучтённых расчётом) тепловых потерь;
k - коэффициент учитывающий время работы печи с закрытой крышкой;
Pт=kдPб.с.+Pизл21k+Pт.к.=
Полезная мощность необходимая для нагрева шихты до температуры плавления расплавления загрузки и перегрева расплава до конечной температуры.
Активная мощность которую нужно подвести к нагрузке чтобы обеспечить требуемую производительность: