Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Индукционные канальные печи: Учебное пособие

Голосов: 10

В учебном пособии представлена классификация электротехнологических и электротермических установок, в частности индукционных канальных печей. Дан ретроспективный анализ развития электропечестроения. Рассмотрены принцип действия, конструкция и назначение индукционных канальных печей. Подробно описан инженерный электрический расчет. Методические указания содержат справочный материал, необходимый для проведения электрического расчета индукционной канальной печи. Приведен поэтапный расчет индукционной канальной 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




ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ


        Министерство образования Российской Федерации


ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ




             Л.И.Иванова, Л.С.Гробова, Б.А.Сокунов




         ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ 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 31.2
     И 58


     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



     Авторы: Л.И.Иванова, Л.С.Гробова,Б.А.Сокунов


      И 58 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.


     ISBN 5 – 230 – 06571 - 0


      В учебном пособии представлена классификация электротехнологиче-
ских и электротермических установок, в частности индукционных канальных
печей. Дан ретроспективный анализ развития электропечестроения. Рассмотре-
ны принцип действия, конструкция и назначение индукционных канальных пе-
чей. Подробно описан инженерный электрический расчет. Методические ука-
зания содержат справочный материал, необходимый для проведения электриче-
ского расчета индукционной канальной печи. Приведен поэтапный расчет ин-
дукционной канальной печи в примерах, иллюстрирующих отдельные подраз-
делы инженерного электрического расчета.

     Библиогр.: 24 назв. Рис. 34. Табл. 14.

     Подготовлено кафедрой «Электротехника и электротехнологические сис-
темы».

     ISBN 5 – 230 – 06571 – 0            © 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.
      Следует отметить то, что в электротехнологических процессах использу-
ются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов: электропровод-
ность, магнитная проницаемость, диэлектрическая проницаемость, теплопро-
водность, теплоемкость [1].
      С веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний (твердое,
жидкое, газообразное, плазменное)1, посредством постоянных и переменных
(различной частоты) токов, постоянных и переменных электрических и магнит-
ных полей (с широким диапазоном напряженностей) можно совершать бесчис-
ленное множество операций, а именно: изменение температуры, формы, струк-
туры, состава, изменение свойств в разных направлениях и т.д.

      Электротехнологические установки условно делятся на следующие
группы:
      - электротермические – установки, основанные на тепловом дейст-
вии тока;
      - электрохимические – установки, основанные на электрическом
действии тока;
      - электрофизические:
         электромеханические установки, в которых импульсный ток вызывает
         возникновение электромеханических усилий в обрабатываемом мате-
         риале;
         электрокинетические, в которых происходит преобразование энергии
         электрического поля в энергию движущихся частиц;

     - специальные – установки, представляющие совокупность различно-
го рода воздействий, в частности, перенос энергии за счет электромагнитного

1
 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.
                                          3


поля, например, устройства для электродинамической сепарации в бегущем
магнитном поле, предназначенные для извлечения ломов и отходов неферро-
магнитных металлов из твердых отходов, а также для сортировки ломов цвет-
ных металлов; устройства для электромагнитного транспорта и электромагнит-
ного перемешивания жидких металлов.
      Среди перечисленных групп группа электротермических установок явля-
ется одной из наиболее распространенных.

       Понятие «электротермические установки» характеризует электротерми-
ческое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособления-
ми и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными
и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование.
       Электротермическое оборудование предназначено для технологического
процесса тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве ос-
новного энергоносителя.

       Электротермическое оборудование классифицируется следующим обра-
зом:
       1. Электрические печи (электропечи) – оборудование, предна-
          значенное для преобразования электрической энергии в тепловую и
          имеющее нагревательную камеру, в которую помещается нагреваемое
          тело. Понятие «электропечь» может охватывать как собственно печь,
          так и в некоторых случаях печь со специальным оборудованием, вхо-
          дящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и
          пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, обра-
          зующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный
          тепловой режим.
       2. Электротермические устройства – оборудование, предназна-
          ченное для преобразования электрической энергии в тепловую, без
          нагревательной камеры.
       3. Электротермические агрегаты – совокупность конструктивно
          связанных электропечей, устройств и другого технологического обо-
          рудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.),
          обеспечивающих его нормальное функционирование.

     Электротермическое оборудование разнообразно по назначению, конст-
руктивному исполнению, размерам и характерным признакам.

      Наиболее существенные особенности электротермического оборудования
выявляются при классификации по методу нагрева, т.е. по способу преобразо-
вания электрической энергии в тепловую и подвода ее к нагреваемому телу.



                                     4


      По методу нагрева электротермическое оборудование (ЭТО) подразделя-
ется следующим образом:
      - ЭТО сопротивления – с выделением теплоты в твердых или жидких те-
лах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по
ним электрического тока;
      - дуговое – с выделением теплоты в электрической дуге. Материал нагре-
вается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также
вследствие теплообмена с дугой и электродами;
      - индукционное – с передачей электроэнергии нагреваемому телу, поме-
щенному в переменное электрическое поле, и превращением ее в тепловую
энергию при протекании индуцированных токов;
      - диэлектрическое – с выделением теплоты в диэлектриках и полупро-
водниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения
электрических зарядов при электрической поляризации;
      - электронно-лучевое – с выделением теплоты при бомбардировке нагре-
ваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом;
      - ионное – с выделением теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, об-
разованным электрическим разрядом в вакууме;
      - лазерное – с выделением теплоты в нагреваемом теле при воздействии
на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энер-
гии, полученных в лазерах – оптических квантовых генераторах;
      - плазменное – с выделением теплоты, основанное на нагреве газа за счет
пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное
или электрическое поле;
      - сварочное – с выделением теплоты в нагреваемых телах в целях осу-
         ществления неразъемного соединения с обеспечением непосредствен-
         ной сплошности в месте сварки.
     Сварочные ЭТО делятся по виду сварки:

     -   контактная,
     -   дуговая,
     -   индукционная,
     -   лазерная,
     -   электрошлаковая,
     -   плазменная.

     Среди электротермического оборудования важное место занимает группа
индукционного ЭТО.

     Индукционными установками называют электротермические устройства,
предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных мате-
риалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств,
обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая ис-

                                      5


точники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее обору-
дование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т.п.).

       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.
       В индукционной нагревательной установке конечная температура нагрева
всегда ниже температуры плавления материала.

      Важнейшим элементом любой индукционной установки является индук-
тор, представляющий собой проводник или систему проводников определен-
ной конфигурации, подключаемой к внешнему источнику переменного тока, и
предназначенный для дистанционного (бесконтактного) наведения в нагревае-
мом изделии переменного электромагнитного поля и электрического тока, ра-
зогревающего изделие. Индуктор обычно навивается из провода в виде одно-
или многовитковой катушки.

     Индукционные нагревательные установки предназначены для
        сквозного нагрева под пластическую деформацию,
         сквозного нагрева под термообработку,
        поверхностной закалки,
        сварки,
        пайки,
        наплавки.

     Индукционные плавильные установки предназначены для
        плавки черных и цветных металлов;
        получения высококачественных сталей и специальных сплавов, тре-
        бующих особой чистоты, однородности и точности химического со-
        става;
        для плавки благородных металлов.

     Индукционные плавильные установки подразделяются на
        индукционные канальные печи,
        индукционные тигельные печи,
        индукционные вакуумные печи,
        индукционные печи с холодным тиглем,
        индукционные печи непрерывного действия,
        устройства для плавки в электромагнитном тигле,
        устройства для зонной плавки,



                                      6


        устройства для выращивания монокристаллов,
        устройства для гарнисажной плавки,
        устройства для струйной плавки.

     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 - универсальной десятичной классифика-
ции (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 канальные печи, предназна-
ченные в основном для плавки цветных металлов и сплавов, а также для плавки
и выдержки чугуна.


                    1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ
                ИНДУКЦИОННЫХ КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ


      В течение XIX века были сделаны открытия, составляющие основу со-
временной электротехники.
      В 1802 году русским ученым В.В.Петровым (1761 – 1834 гг.) было откры-
то явление электрической дуги; этот год по праву считается датой рождения
электротермии вообще и отечественной электротермии в частности.
      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 явления, а именно наведение тока в сплошных металли-
ческих средах. В середине XIX века англичанин Джеймс Максвелл получил ос-
новополагающие уравнения электромагнитного поля, носящие его имя, и по-
строил систему современной электродинамики. В 80-х годах У.Томсон открыл
и исследовал поверхностный эффект, заключающийся в том, что переменный
ток вытесняется к поверхности проводника.
      Промышленное использование электрической энергии для плавки и на-
грева металлов и сплавов началось лишь спустя много лет, так как для этого
необходимо было соответствующее развитие электротехники, а также энерге-
тического хозяйства.



                                     7


      Выдающуюся роль в развитии этих областей науки сыграли русские уче-
ные и практики: П.Н.Яблочков (1876 г.), И.Ф.Усагин (1882 г.) и М.О.Доливо-
Добровольский исследованиями в области трансформаторов, а также работы
М.О.Доливо-Добровольского, впервые осуществившего передачу электроэнер-
гии на расстояние.
      Опытная индукционная печь с открытым горизонтальным каналом была
построена в Англии в 1887 г. Ферранти. В 1900 – 1901 гг. в Швеции появилась
первая промышленная индукционная печь - печь Кьеллина (рис. 1.1 [2],
рис. 1.2 [3]) - с магнитопроводом и открытым каналом, предназначенная для
плавки стали.
      Весь расплавленный металл помещался в кольцевом желобе 1, который
при емкости печи порядка 1 т и выше имел большие геометрические размеры.
Для охлаждения индуктора 2 и сердечника в зазор между индуктором и стенкой
желоба специальным вентилятором вдувался воздух.
      После этого промышленная электротермия и электропечестроение полу-
чили за рубежом широкое и разнообразное развитие.

                                           В 1906 – 1907 гг. появилась печь Рех-
                                     линг-Роденгаузера [2]. Эта печь имела два
                                     индуктора и два окружавших их канала, ко-
                                     торые, соединяясь в средней части, образо-
                                     вывали общую ванну, вмещавшую основ-
                                     ную массу металла.
                                           Появившиеся в 1916 г. печи нового
                                     типа (рис. 1.3), предложенные Уайтом,
                                     представляли собой решительный шаг впе-
                                     ред, после которого начался быстрый рост
                                     применения канальных индукционных пе-
                                     чей. Эти печи отличаются тем, что вместо
                                     открытого желоба с металлом, характерно-
                                     го для первых печей, печи нового типа
                                     имеют вертикальный канал 1, проходящий
                                     в огнеупорном массиве 2, называемом «по-
Рис. 1.1. Индукционная печь с откры- довым камнем». Устья канала входят в дно
тым горизонтальным каналом систе- ванны 3, где помещается вся масса рас-
            мы Кьеллина:             плавляемого металла. Индуктор 4 находит-
  1 – кольцевой желоб; 2 – индуктор  ся в цилиндрическом проеме подового
                                     камня. Индуктор и внутренние стенки по-
дового камня для охлаждения обдуваются вентилятором 5.




                                        8


Рис. 1.2. Индукционная печь с магнитопроводом и горизонтальным открытым каналом:
          а – фотография промышленного образца; б – схематическое изображение




             Рис. 1.3. Индукционная печь с закрытым вертикальным каналом
             системы Уайта: 1 – вертикальный канал; 2 – подовый камень;
                        3 – дно ванны; 4 – индуктор; 5 - вентилятор

      В нашей стране такие печи стали строить начиная с 30-х годов на Мос-
ковском электрозаводе. Большую роль в разработке и проектировании этих пе-
чей сыграло ОКБ треста «Электропечь», преобразованное в 1961 г. во
ВНИПКТИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО), который является
ведущим в этой области.
      Первая попытка дать систематизированный и обоснованный метод элек-
трического расчета индукционных канальных печей (с магнитопроводом) была
сделана в 1933 г. [18].
      Необходимо отметить, что до этой попытки как за рубежом, так и в на-
шей стране вопросы электрического расчета индукционных канальных печей не
были освещены. Поэтому понятно, что первая попытка в основном правильная
и оправдывающая себя на практике все же содержала ряд неточностей и недо-
работок, в частности, в таких вопросах, как подсчет индуктивного сопротивле-
ния и коэффициента мощности печей, отношение массы стали магнитопровода
к массе меди индуктора и др.
      Большой интерес представляет зарубежный опыт в области проектирова-
ния установок и эксплуатации индукционных печей, накопленный одной из
крупнейших мировых фирм Brown Bovery und Cie Aktiengesellschaft и отра-
женный в книге К.Брокмайера «Индукционные плавильные печи» [20].

                                          9



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика