Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Индукционные тигельные печи: Учебное пособие

Голосов: 27

В учебном пособии представлена классификация электротехнологических и электротермических установок, в частности индукционных тигельных печей. Дан ретроспективный анализ развития электропечестроения. Рассмотрены принцип действия, конструкция и назначение индукционных тигельных печей. Подробно описан инженерный электрический расчет. Методические указания содержат справочный материал, необходимый для проведения электрического расчета индукционной тигельной печи. Приведен поэтапный расчет индукционной тигельной печи в примерах, иллюстрирующих отдельные подразделы инженерного электрического расчета. Подготовлено на кафедре "Электротехника и электротехнологические системы" (ЭЭТС) УГТУ-УПИ. Допущено учебно-методическим объединением по профессионально-педагогическому образованию в качестве учебного пособия для студентов специальности "Электротехнологические установки и системы" высших учебных заведений".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          Л.И.Иванова, Л.С.Гробова,

     Б.А.Сокунов, С.Ф.Сарапулов




ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ


        Министерство образования Российской Федерации


ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ




                   Л.И.Иванова, Л.С.Гробова,

                  Б.А.Сокунов, С.Ф.Сарапулов




         ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
                       Учебное пособие



    Научный редактор профессор, д-р техн. наук Ф.Н.Сарапулов


                         Издание второе,
                          дополненное




          Допущено учебно-методическим объединением
        по профессионально-педагогическому образованию
            в качестве учебного пособия для студентов
        специальности «Электротехнологические установки
              и системы» высших учебных заведений




                         Екатеринбург

                             2002


     УДК 621.365.5
     ББК


     Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Г.К.Смолин,
                д-р техн. наук, проф. О.Ю.Сидоров

     Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Г.К.Смолин,
                 каф. «Общая электротехника», Российский
                 профессионально-педагогический университет;

                 д-р техн. наук, проф. О.Ю.Сидоров,
                 каф. «Высшей и прикладной математики», Нижнетагильский
                 технологический институт Уральского государственного
                 технического университета



     И 58 ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ: Учебное пособие.
2-е изд., перераб. и доп.      / Л.И.Иванова, Л.С.Гробова, Б.А.Сокунов,
С.Ф.Сарапулов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2002. 87 с.


     ISBN 5 – 230 – 06566 - 4


      В учебном пособии представлена классификация электротехнологиче-
ских и электротермических установок, в частности индукционных тигельных
печей. Дан ретроспективный анализ развития электропечестроения. Рассмотре-
ны принцип действия, конструкция и назначение индукционных тигельных пе-
чей. Подробно описан инженерный электрический расчет. Методические ука-
зания содержат справочный материал, необходимый для проведения электри-
ческого расчета индукционной тигельной печи. Приведен поэтапный расчет
индукционной тигельной печи в примерах, иллюстрирующих отдельные под-
разделы инженерного электрического расчета.

     Библиогр.: 26 назв. Рис. 31 Табл. 9.

     Подготовлено кафедрой «Электротехника и электротехнологические
                            системы».

     ISBN 5 – 230 – 06566 – 4           © ГОУ Уральский государственный
                                        технический университет - УПИ, 2002


                                    ВВЕДЕНИЕ


      Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в
другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, в
результате которых происходит изменение вещества, называют электротехно-
логическими.
      Основные группы электротехнологических установок представлены на
блок-схеме1.


                             ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
                                    УСТАНОВКИ



    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ                                     ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ




              ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ                        СПЕЦИАЛЬНЫЕ




    ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ                ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ



      Электротермические установки являются одной из наиболее распростра-
ненных групп и находят применение в различных областях промышленности,
сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности и быту.




1
 электротермические – установки, основанные на тепловом действии тока;
электрохимические – установки, основанные на электрическом действии тока;
электрофизические:
             электромеханические установки, в которых импульсный ток вызывает возник-
          новение электромеханических усилий в обрабатываемом материале;
             электрокинетические, в которых происходит преобразование энергии электри-
          ческого поля в энергию движущихся частиц;
специальные – установки, представляющие совокупность различного рода воздействий, в
частности перенос энергии за счет электромагнитного поля, например устройства для элек-
тродинамической сепарации в бегущем магнитном поле, предназначенные для извлечения
ломов и отходов неферромагнитных металлов из твердых отходов, а также для сортировки
ломов цветных металлов; устройства для электромагнитного транспорта и электромагнитно-
го перемешивания жидких металлов.
                                           3


      Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической
энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жид-
кого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи.2

      2
        Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части простран-
ства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непре-
менным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или
участков тел [16].
       Процесс теплообмена может быть стационарным и нестационарным.
       При стационарном (установленном) процессе температурное поле постоянно, не ме-
няется во времени, температура отдельных точек рассматриваемых тел или пространства не-
изменна. Так как при таком процессе ни одна точка пространства не остывает и не нагрева-
ется, то общий запас содержащейся в ней тепловой энергии (аккумулированное данным ве-
ществом тепло) также остается без изменения.
       При нестационарном (неустановившемся) процессе температура отдельных точек
рассматриваемого пространства или тела меняется во времени, следовательно, изменяется
температурное поле в теле и аккумулированное в нем или в отдельных его частях тепло, его
теплосодержание.
       Различают три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла – тепло-
проводность, конвективный и лучистый теплообмен. (лучистый теплообмен – теплообмен
излучением).
       Теплопроводность – это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной
жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой темпе-
ратурой. Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодей-
ствием микрочастиц (молекул, атомов, электронов) частицы с большей энергией (более на-
гретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым
(менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств
вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи
больше, у пористых (пенопласт) – меньше.
       Конвекция – теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдель-
ные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас теп-
ловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом ассы вещества называется конвектив-
ным теплообменом.
       Если теплопередача конвекцией обусловлена лишь разностью плотностей вещества
вследствие различных температур, то такая конвекция называется естественной или свобод-
ной.
       При наложении на нагретый объем вещества внешних сил (принудительное переме-
щение вещества) теплоперенос называют вынужденной конвекцией.
       Излучение – это передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и видимой частях
спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных
волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде.
       Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все
стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с други-
ми полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращает-
ся (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплооб-
мен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и затем
вновь лучистой в тепловую.
       Если температуры тел, между которыми осуществляется лучистый теплообмен, раз-
личны, то в результате теплообмена между ними тепло будет передаваться от более нагрето-
го тела к менее нагретому, одно из их будет нагреваться, а другое – снижать свою темпера-
туру.

                                             4


      Нагрев различных тел, материалов, жидкостей, газов; перевод их из одно-
го агрегатного состояния3 в другое может быть осуществлено с использованием
электротермических установок различного вида.
      Понятие «Электротермические установки» характеризует электротер-
мическое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособле-
ниями и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспорт-
ными и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование.

     Электротермическое оборудование предназначено для технологического
процесса тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве ос-
новного энергоносителя.

      Классификация электротермического оборудования (ЭТО) показана на
блок-схеме.

                              ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ
                                 ОБОРУДОВАНИЕ



        ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ                            ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ
           (ЭЛЕКТРОПЕЧИ)                                  УСТРОЙСТВА



                              ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ
                                   АГРЕГАТЫ


      Отличительной особенностью электрической печи (электропечи) являет-
ся преобразование электрической энергии в тепловую и наличие нагреватель-
ной камеры, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие «электропечь»
может охватывать как собственно печь, так и в некоторых случаях печь со спе-
циальным оборудованием, входящим в комплект поставки (трансформаторами,
щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конст-
рукция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем задан-
ный тепловой режим.
3
 В твердом состоянии - проводники, полупроводники и диэлектрики, металлы и неметаллы,
кристаллические и аморфные вещества.
В жидком состоянии - проводники (расплавы металлов, солей, щелочей, оксидов), диэлек-
трики (минеральные и органические), особая разновидность -жидкие кристаллы.
В газообразном состоянии - сложные активные вещества, которые в совокупности с обыч-
ными могут составлять системы, где происходит образование других соединений - целевых
продуктов, в дальнейшем выделяемых методом конденсации.
В плазменном состоянии - электропроводная среда, позволяющая проводить обменные реак-
ции и транспортные процессы на ионном уровне, быть источником лучистой энергии и сред-
ством нагрева вещества.

                                          5


        Электротермические устройства – оборудование без нагревательной ка-
меры.
     Совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и дру-
гого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего,
моечного и др.) называется электротермическими агрегатами.

     Классификация электротермического оборудования по методу нагрева
показана ниже.

                             ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ
                              ОБОРУДОВАНИЕ (ЭТО)


  ЭТО СОПРОТИВЛЕНИЯ                                   ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ
                                                             ЭТО


           ДУГОВОЕ ЭТО                                  ИОННОЕ ЭТО



             СВАРОЧНОЕ ЭТО                          ЛАЗЕРНОЕ ЭТО




             ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЭТО                  ПЛАЗМЕННОЕ ЭТО




                               ИНДУКЦИОННОЕ ЭТО


      В ЭТО сопротивления происходит выделение теплоты в твердых или
жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при проте-
кании по ним электрического тока; в дуговом ЭТО – выделение теплоты в элек-
трической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из
опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами; в
индукционном ЭТО – передача электроэнергии нагреваемому телу, помещен-
ному в переменное электрическое поле, и превращением ее в тепловую энер-
гию при протекании индуцированных токов; в диэлектрическом ЭТО –
выделение теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в пере-
менное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при
электрической поляризации; в электронно-лучевом ЭТО – выделение теплоты
при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмити-
руемых катодом; в ионном ЭТО – выделение теплоты в нагреваемом теле пото-
ком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме; в лазерном ЭТО
– выделение теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лу-

                                      6


чей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в
лазерах – оптических квантовых генераторах; в плазменном ЭТО – выделение
теплоты, основанном на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой
разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле; в сва-
рочном ЭТО – выделение теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления
неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в
месте сварки.

      Среди электротермического оборудования важное место занимает груп-
па индукционного ЭТО (рис. 1.1).




                      а               б              в               г

                          Рис. 1.1. Схемы индукционного нагрева:
                     а – с магнитопроводом; б – без магнитопровода;
   в – косвенный нагрев с промежуточным нагревателем; г - индукционно-плазменный:
 1 – нагреваемое тело; 2 – магнитопровод; 3 – футеровка; 4 – индуктор; 5 – промежуточное
                  нагреваемое тело; 6 – кварцевая труба; 7 – подвод газа
     Род теплопередачи: сплошные стрелки – излучением; пунктирные – конвекцией;
                   штрих-пунктирные – поток ионизированного газа

      Электротермические устройства, предназначенные для индукционного
нагрева или плавки тех или иных материалов, называются индукционными ус-
тановками.
      Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обес-
печивающих осуществление электротермического процесса (включая источни-
ки питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудова-
ние, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т.п.).


                                   ИНДУКЦИОННЫЕ
                                     УСТАНОВКИ



    ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВИЛЬНАЯ                     ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ
           УСТАНОВКА                                    УСТАНОВКА

                                            7


       Индукционной плавильной установкой называют индукционную установ-
ку, в которой нагреваемый металл или сплав доводится до плавления, т.е. меня-
ет свое агрегатное состояние в процессе нагрева.

                       ИНДУКЦИОННЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ
                       УСТАНОВКИ ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ



     ПЛАВКА                     ПОЛУЧЕНИЕ                       ПЛАВКА
    ЧЕРНЫХ             ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ             БЛАГОРОДНЫХ
   И ЦВЕТНЫХ             И СПЕЦИАЛЬНЫХ СПЛАВОВ,                МЕТАЛЛОВ
   МЕТАЛЛОВ            ТРЕБУЮЩИХ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ
                         И ТОЧНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО
                                 СОСТАВА




                       ИНДУКЦИОННЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ
                       УСТАНОВКИ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ



     ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ                    ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ
              ПЕЧИ                                      ПЕЧИ



     ИНДУКЦИОННЫЕ ВАКУУМНЫЕ                      ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ
              ПЕЧИ                               С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ



       ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ                        УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЛАВКИ
     НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ                    В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ТИГЛЕ



      УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗОННОЙ                    УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫРАЩИ-
             ПЛАВКИ                             ВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ




           УСТРОЙСТВА                                 УСТРОЙСТВА
     ДЛЯ ГАРНИСАЖНОЙ ПЛАВКИ                      ДЛЯ СТРУЙНОЙ ПЛАВКИ




                                      8


В индукционной нагревательной установке конечная температура нагрева все-
гда ниже температуры плавления материала.

                    ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ
                      УСТАНОВКИ ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ



   СКВОЗНОЙ НАГРЕВ                                    СКВОЗНОЙ НАГРЕВ
  ПОД ПЛАСТИЧЕСКУЮ                                  ПОД ТЕРМООБРАБОТКУ
     ДЕФОРМАЦИЮ


                   СВАРКА                        ПОВЕРХНОСТНАЯ
                                                    ЗАКАЛКА



                       ПАЙКА                   НАПЛАВКА




     Индукционной печью называется часть индукционной установки, вклю-
чающая индуктор, каркас, камеру для плавки, а также механизмы наклона печи,
вакуумную систему и т.п.

      Вся литература и информация об электронагреве подбирается и учитыва-
ется по международной системе - универсальная десятичная классификация
(УДК) [17]. Каждому понятию присваивается индекс УДК, например

  индукционные печи – УДК 621.365.5;
  вакуумные индукционные печи – УДК 621.365.55 – 982.

     В работе рассматриваются индукционные тигельные печи, предназна-
ченные для плавки цветных металлов и сплавов, стали, а также для плавки и
выдержки чугуна.


                    1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ
                ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ


     В 1831 г. английским ученым Майклом Фарадеем был открыт закон элек-
тромагнитной индукции, Ленц и Джоуль установили, что прохождение тока по
проводнику сопровождается выделением тепла; Леон Фуко подробно исследует
частный случай этого явление, а именно, наведение тока в сплошных металли-
ческих средах. В середине XIX века англичанин Джеймс Максвелл получил ос-

                                     9



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика