Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский машиностроительный колледж
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

КП.2408002.01.09.ПЗ
Дисциплина Теплотехника
Тема Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч
_______________

               (оценка)

Руководитель ___________________________________       (инициалы, фамилия) _____________    _________              (подпись)                       (дата) Студент ___________________________________  (инициалы, фамилия) _____________    _________              (подпись)                       (дата) ___________________________________                                     (группа)

2009

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

Павлодарский машиностроительный колледж

ЗАДАНИЕ

На выполнение _____________________________________________________

^{(КП, КР)}

по дисциплине _____________________________________________________
Студент группы ____________________________________________________

^{(фамилия, инициалы)}

Руководитель  ______________________________________________________

^{(фамилия, инициалы)}

Тема ______________________________________________________________
__________________________________________________________________

Исходные данные_______________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Объем расчетно-пояснительной записки _______________________________

Перечень подлежащих к разработке вопросов

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей)

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Срок сдачи проекта (работы) руководителю____________________________

__________________________________________________________________
Дата выдачи задания____________________________________________

Руководитель проекта (работы)___________________________________
Задание принял к исполнению студент ____________________________
Содержание
    Введение                                                                                              4

1 Описание конструкции и работы печи                                       5

1.1 Конструкция печи                                                                   5

1.2 Характеристика индукционной печи                                       8

2 Расчет печи                                                                                 9

2.1 Определение размеров рабочего пространства печи              9

2.2 Тепловой расчет печи                                                              10

2.3 Электрический расчет печи                                                     15

2.4 Расчет охлаждения индуктора                                                 22

2.5 Расчет конденсаторной батареи                                                        25

   Заключение                                                                                 27

   Список использованных источников                                        28

   Спецификация                                                                             29
Введение
Для плавки чугуна на твердой завалке широко применяют тигельные индукционные печи. Такие печи удобны в эксплуатации, в них легко получать различные чугуны, область их применения за последнее время значительно расширилась.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток от предыдущей плавки, называемый зумпфом или «болотом») необходима потому, что при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50 % от общей массы металла в печи (емкости печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий. Так, при плавке в печи с массой садки 12 т и зумпфе массой 5 т соблюдается такая последовательность и длительность периодов: загрузка 5 - 6 т шихты (кроме возврата) 15 минут; расплавление 1 час 5 минут; доводка химического состава 40 минут; загрузка возврата (2 т) 10 минут; расплавление возврата 15 минут; доводка по температуре, скачивание шлака 25 минут. В результате получается, что часовая производительность печи составляет около 1/3 от ее массы садки.
         1 Описание конструкции и работы печи
1.1 Конструкция печи
Уровень развития современной техники предъявляет высокие требования к металлам и сплавам, удовлетворить которые могут лишь металлы и сплавы, полученные в процессе электроплавки.

Наибольшее распространение получили электрические индукционные печи промышленной частоты.

В зависимости от назначения индукционные печи подразделяются на индукционные тигельные – ИЧТ (индук­ционная чугунная тигельная), тигельные печи-мик­серы – ИЧТМ (индукционная чугунная тигельная-миксер) и канальные миксеры– ИЧКМ (индукционная чугунная канальная-миксер).

Стоимость индукционных печей и современных вагранок практически одинакова, но срок окупаемости индукционных печей приблизительно в два раза меньше за счет более низкой стоимости шихтовых материалов и самих отливок.

Тигельные индукционные печи. Индукционные тигельные печи и миксеры промышленной частоты работают по принципу трансформатора без железного сердечника, первичной обмоткой которого является многовитковая катушка – индуктор, вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – расплавляемый металл.

Тигельные индукционные печи, имеющие значительную удельную мощность, применяются для плавки, а миксеры применяются для сохранения температуры и доводки металла по химическому составу; при необходимости металл в миксере может быть перегрет на 100°.

Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии металлической шихтой, которая заложена в тигель, помещенный в переменное магнитное поле. Нагрев и расплавление шихты происходят в результате наведения электрического тока и выделения тепла в кусках шихты.



Рисунок 1.1 - Индукционная тигельная печь для плавки чугуна
На рисунке 2.1 представлена индукционная тигельная печь (ИЧТ) промышленной частоты емкостью 6 т. Она состоит из следующих основных узлов: металлического каркаса 1, тигля 3, индуктора 2, крышки с механизмами подъема 6, рабочей площадки 7, токо- и водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас 1 печи представляет собой сварную конструкцию, выполненную из листовой стали. Жесткость каркаса обеспечивается ребрами жесткости, равномерно расположенными по диаметру обечайки. Каркас усилен средним поясом, несущим ось вращения печи, который выполнен в виде коробки из листовой стали. Под сливным носиком 5 расположена ось 4 поворота печи. Ось крепится в подшипниках, установленных на колоннах,

Печь   имеет  гидравлический механизм наклона, состоящий из маслонапорной установки, аппаратуры гидропровода и двух плунжеров. Посредством гидравлического механизма осуществляется наклон печи в одну сторону на любой угол до 100° для выдачи металла.

Главной частью печи является индуктор 2, представляющий собой медную профилированную водоохлаждаемую трубку. Катушки индуктора изолированы стеклолентой и микалентой; во избежание осевого перемещения индуктора он зафиксирован специальными прижимами из немагнитного материала. Индуктор печи окружен венцом из стальных пакетов, которые вместе с прижимами создают надежное крепление индуктора, что особенно важно при наклоне печи.

Воротник печи вместе с рабочей площадкой 7 составляют съемную сварную конструкцию. Воротник футеруется шамотными кирпичами, а для отвода дымовых газов в нем предусмотрен канал, расположенный непосредственно под площадкой.

Плавильным пространством печи является тигель 3, выполняемый обычно набивкой непосредственно в самой печи. В качестве набивочных материалов для изготовления тигля применяют кислые, основные и нейтральные огнеупорные массы.

Рабочее  пространство печи закрывается крышкой 6 из немагнитной стали, футерованной изнутри огнеупорным бетоном и теплоизолирующим материалом. Крышка снабжена механизмом подъема и поворота с ручным приводом рычажного типа. Загрузка шихты в печь производится сверху.

Токоподвод к печи осуществляется гибкими водоохлаждаемыми кабелями. Регулирование мощности печи производится  автоматически регулятором электрического режима. Для управления наклоном печи предусмотрен пульт управления.

Футеровка тигельных печей. Плавильное пространство индукционной печи выполняется в виде тигля, изготовляемого из специальной огнеупорной массы. Операции набивки тигля должны выполняться с особой тщательностью и с применением химически чистых материалов. Высокие требования к качеству изготовления тигля объясняются тем, что тигель работает в неблагоприятных  условиях:  внутренняя поверхность тигля обогревается жидким металлом и имеет его температуру, а наружная поверхность соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Помимо этого, обычно в металлургических печах футеровка выполняется в кожухе печи. Здесь же все усилия,  возникающие в процессе плавки,  воспринимаются свободно стоящим тиглем.

Для футеровки индукционных тигельных печей применяется кварцевый песок либо молотый кварцит. В качестве связующей добавки применяют борную кислоту, которая является плавнем и обеспечивает быстрое спекание футеровки.

Технология выполнения футеровки включает следующие операции: подготовку материалов; заливку подины жароупорным бетоном; приготовление футеровочной  массы; набивку тигля; спекание тигля; выкладку воротника; футеровку крышки.

Кварцевый песок (либо молотый кварцит) должен содержать менее 95% двуокиси кремния (Si0₂). Песок должен содержать более 0,25–0,50% остаточной влаги, и для предупреждения •включений железа подвергается магнитной сепарации. Затем песок рассеивают на фракции: 2–3 мм – 35%; 1 – 0,75 мм – 20%  и менее 0,75 мм – 45%.

Потребное количество песка каждой фракции засыпают в тщательно очищенный смеситель, где песок перемешивается в течении 10–15 мин, затем добавляют борную кислоту в количестве 2–2,5%, и смесь перемешивается еще 10 мин. Приготовленная таким образом масса должна быть сразу использована. В случае приготовления массы впрок смешанные фракции песка упаковывают в мешки и хранят в сухом месте, а борную кислоту вводят перед употреблением массы.

Для футеровки подины (9 на рисунке 1.1) и крышки печи применяется жаропрочный бетон приведенного ниже состава (в кг на м³ бетона).

	Подина	Крышка
Жидкое стекло плотностью 1,36–1,37	350	300
Кремнефтористый натрий	18–20	18–20
Тонкомолотый магнезит	500	600
Шамот класса А (мелкий)	550	–
Шамот класса А (крупный)	800	–
Магнезитовый песок	–	600
Магнезитовый щебень	–	1150

При заливке подины следует установить контактную шпильку для работы сигнализатора проедания тигля металлом. После просушки бетона подина устанавливается в каркасе печи.

На подину устанавливают индуктор и сжимают его между верхним и нижним рядами прижимов и далее набивают тигель. Форма и внутренние размеры тигля определяются размерами шаблона, размерами индуктора и относительным расположением шаблона и индуктора. Перед набивкой тигля внутреннюю поверхность индуктора выкладывают слоем миканита толщиной 2 мм и асбестовым картоном, а также устанавливают сетку–электрод сигнализатора проедания тигля. На дно подины насыпают слой футеровочной массы толщиной 40–50 мм и уплотняют легкими ударами ручной трамбовки; разрыхлив слегка уплотненную поверхность, насыпают второй и последующие слои. Общая высота дна тигля должна быть выбрана с расчетом перекрытия третьего витка индуктора. В дне при помощи специального шаблона выбирается углубление под шаблон тигля. По окончании набивки пода удаляют с асбестовой прокладки прижимное кольцо и устанавливают шаблон, в который закладывают груз, фиксирующий шаблон, и приступают к набивке стенок тигля.

Закончив набивку тигля, специальными шамотными плитками выкладывают воротник тигля и сливной носик и обмазывают огнеупорным раствором из молотого шамота и огнеупорной глины.

Сушка и спекание футеровки производятся либо пламенем газовой горелки, либо током.
1.2 Характеристика индукционной печи
Таблица 1.1 – Характеристика ИЧТ-2,5

Наименование параметра
Номинальная емкость печи, т	2,5
Номинальная емкость печного трансформатора, кВ·ч	1600
Мощность, потребляемая установкой, кВт	1480
Число фаз:                        питающей сети                        контурной цепи	3 1
Частота тока, Гц
Номинальное напряжение:                        питающей сети                        контурной цепи (индуктор)	6000 или 10000 1000
Коэффициент мощности:                        естественный                        скомпенсированный	0,179 0,98
Расчетная температура перегрева металла, °С	1400
Производительность по плавлению и перегреву до 1400°С, т/ч	2,7
Удельный расход электроэнергии на плавлении и перегрев до 1400°С, кВт·ч/т (3,6 МДж/т)	546
Мощность, потребляемая при выдержке металла при 1400°С (ориентировочно), кВт	150
Расход воды на охлаждение,м3/ч	15,2
Общая масса электропечи с расплавленным металлом, т	23,5
Общая площадь, занимаемая установкой (ориентировочно), м2	120

2 Расчет печи
2.1 Определение размеров рабочего пространства печи


Рисунок 2.1 - Эскиз к геометрическому расчету тигельной печи
Полезный объем тигля, занимаемый жидким металлом:
                                                       ,                                                        (2.1)
где V_т – полезный объем тигля

       G – емкость тигля печи, т

       ν – плотность расплава, т/м³
 м³.
Для печи емкостью 6 т принимаем А = 0,95

Средний (внутренний) диаметр тигля составляет:
                                                  ;                                                  (2.2)
 м.
Высота металла в тигле (садка):

                                                     h₂=  ;                                                    (2.3)


h₂= м.

Внутренний диаметр индуктора:
                                                d₁=d₂ ,                                               (2.4)
где δ_ф – толщина футеровки,

       δ_из – толщина изолировки (δ_из=0,01м).
                                                   δ_ф=0,08  ;                                                  (2.5)
δ_ф=0,08=0,12 м;
d₁=1,04+2·0,12+2·0,01=1,3 м.
Средняя толщина стенки тигля 0,105 м.

Высота внутренней полости тигля:
                                                   h_т=(1,2÷1,4)h₂ ;                                               (2.6)


h_т=1,3·1,066=1,38 м.
Высота индуктора без учета холостых витков:
                                                  h₁=h₂·k₂,                                                     (2.7)
где k₂ – относительная высота индуктора, которая обычно в тигельных  печах имеет значение 1,0÷1,2.
h₁ = 1,066·1,1=1.17 м.
2.2 Тепловой расчет печи
Задачей расчета является определение температуры наружной поверхности футеровки, расчет тепловых потерь и теплового к. п. д. печи.

Для выполнения данного расчета необходимы геометрические параметры печи, определенные в предыдущем разделе, а также некоторые данные:

– состав футеровки и тип тепловой изоляции, что обоснованно подбирается с учетом практики эксплуатации индукционных печей, условий технологического процесса и свойств используемых материалов;

– толщина отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, что также подбирается с учетом практических данных и некоторым результатам предыдущих расчетов:

– теплофизические характеристики отдельных слоев футеровки и теплоизоляции:

– средняя расчетная поверхность теплоотдачи на границах отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, что может быть приблизительно рассчитана с учетом основных геометрических параметров печи и толщины отдельных слоев футеровки и теплоизоляции, при этом лучше руководствоваться масштабным рисунком (рисунок 2.2).



Рисунок 2.2 - Эскиз футеровки печи к тепловому расчету
Тепловые потери рассчитывают для установившегося теплового режима при номинальном заполнении тигля расплавом, причем температуру внутренней стенки тигля и крышки принимают равной конечной температуре перегрева расплава Т_р. Расчеты тепловых потерь ведут методом последовательных приближений до сходимости значений температур на границах слоев футеровки (в пределах заданной точности расчета). При этом температура на границе наружной поверхности ( i+1)-го слоя футеровки, К:


                                              ,                                             (2.8)
где R_Ti – тепловое сопротивление i-го слоя, К/Вт;
                                                        ,                                                  (2.9)
      P_Ti – тепловые потери через соответствующий элемент печи (боковую стенку, крышку и подину), определенные по формулам.

Тепловые потери через боковую стенку тигля, состоящей из двух слоев (футеровка и теплоизоляция), определяется по формуле для расчета теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку, Вт:
                              ,                                  (2.10)
где Т_из – допустимая температура наружной поверхности тепловой изоляции (на границе с электрической изоляцией индуктора), которую для расчета можно принять ~ 423 К;

         λ_ф, λ_из – теплопроводность футеровки и теплоизоляции (Вт/м·К) при средней температуре соответствующего слоя;


                                           Т
_i
ср ,                                    (2.11)
         в_из – толщина изоляционного слоя из асбеста составляет 0,005÷0,015 м, принимаем для печи емкостью 6 т 0,01.
Т_iср= К;


                                               λ_ф=1,4+0,660·10^-3·T_iср ;                                    (2.12)


λ_ф=1,4+0,660·10^-3·1073=2,1;
                                            λ_из=0,157+0,221·10^-3· T_iср;                                   (2.13)
λ_из=0,157+0,221·10^-3·1073=0,4;
 кВт.
Тепловые  потери излучением с зеркала ванны, Вт:
                                     ,                         (2.14)
где ξ – степень черноты расплава;

 Т₀ – температура окружающего воздуха, которая принимается равной    20°С;

   С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, зависящий от природы тела, состояния поверхности и температуры (С₀ =5,7 Вт/(м²·К⁴);

 ζ – коэффициент диафрагмирования.
Р_из кВт.
Тепловые потери через подину находим, полагая (для упрощения расчета) подину плоской, Вт:



                                                         ,                                          (2.15)
где n – число слоев футеровки подины;

      λ_i – теплопроводность слоя футеровки при его средней температуре Т_i
ср,                              Вт/(м·К);

     в_i – толщина i
– того слоя футеровки, м;

     λ_п – коэффициент теплоотдачи естественной конвекции с наружной поверхности подины, Вт/(м²·К);

     S_n – площадь наружной поверхности подины, м²;

  S_iср – площадь среднего сечения i-го слоя футеровки подины, которая определяется как средняя геометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя:
                                        S_iср=, если > 2 ,                                (2.16)
или без заметной погрешности расчетная поверхность отдельного слоя может как средняя арифметическая:
                                  , если ≤ 2 ;                                 (2.17)
Р_Т.П.= кВт.
Тепловые потери через крышку:
                                         Р_Т.К.=  _;                                                              (2.18)
Р_Т.К.= кВт.
Суммарные тепловые потери печи:
                             Р_Т.∑=k_д(Р_Т.С.+Р_из.k_τ+ Р_Т.К··k_τ+ Р_Т.П.) ,                          (2.19)
где k_д – коэффициент дополнительных (неучтенных расчетом) тепловых потерь (обычно принимают k_д≈1,1÷1,2);

     k_τ – коэффициент, учитывающий время работы печи с закрытой крышкой:


                                              k_τ=;                                                (2.20)
k_τ= ;
Р_Т.∑= кВт.
Полезная мощность, необходимая для нагрева шихты до температуры плавления, расплавления загрузки и перегрева расплава до конечной температуры Т_р:
                                                       Р_пол =q_р· g_пл ,                                             (2.21)
где q_р – энтальпия металла при конечной температуре (q_р=0,37 кВт·ч/кг);

      g_пл – часовая производительность по расплавлению и перегреву (g
_пл=1580 кг/ч);
Р_пол=0,37·1580=584,6 кВт.
Тогда активная мощность, которую нужно подвести к загрузке, чтобы обеспечить требуемую производительность:
Р₂= Р_пол+ Р_Т.∑;                                             (2.22)
Р₂=584,6+142=726,6 кВт.
Тепловой к. п. д. проектируемой печи:
                                                        η= ;                                                (2.23)
η=.
Удельная мощность:
                                                     Р_уд=,                                               (2.24)
где η_э – электрический к. п. д. печи (при плавке чугуна и стали η_э=0,7÷0,8);


Р_уд = кВт.
Предельная мощность:
                                             Р_пред=36,31·f^0,491 Вт/кг ;                                     (2.25)
Р_пред=36,31·50^0,491=247,8 Вт/кг.
2.3 Электрический расчет печи
Задачей расчета является определение эквивалентных параметров индуктора с загрузкой, которых необходимо знать для дальнейшего расчета индукционной установки, а также для согласования параметров индуктора с параметрами источников питания.

Расчет параметров системы осуществляем по методу общего потока, определяем элементы схемы замещения, соответствующей идеализированной картине магнитного поля индуктора, как сопротивления отрезка бесконечно длинной системы и приводим их к току короткого индуктора. Расчет эквивалентных параметров системы индуктор-загрузка ведем в горячем режиме, т. е. при номинальном заполнении тигля расплавом, при конечной температуре металла Т_р.

Находим активное и реактивное сопротивление индуктора, Ом/виток²:


                                                 r_э=r₁+r₂ ;                                                          (2.26)
                                                 x_э=x_1В+x₂ .                                                       (2.27)
Значения сопротивлений в расчете приведены к одновитковому индуктору, т. е. измеряется в Омах на виток в квадрате. Для получения «полных» сопротивлений эти значения должны быть умножены на ω² (ω – число витков индуктора).

Расчет эквивалентных параметров системы индуктор-загрузка ведем в горячем режиме, т. е. при номинальном заполнении тигля расплавом, при конечной температуре металла Т_р.

Находим активное и реактивное сопротивление индуктора:
                                  r₁=x_1В=ρ₁·,                                            (2.28)
где ρ₁ – удельное сопротивление материала индуктора (для меди ρ₁≈2·10^-6 Ом·см, что соответствует температуре меди ~ 60°С);

       ∆₁ – глубина проникновения тока в материал индуктора, м;

      K_з.и. – коэффициент заполнения индуктора, равный отношению высоты индуктирующего витка без изоляции к шагу навивки (значение  K
_з.и зависит от конструкции индуктора и вида изоляции, K
_з.и=0,75÷0,9);

                (d₁+∆₁) – расчетный диаметр индуктора (d₁^*).
                                              ∆₁ ;                                            (2.29)



∆₁= см;
r₁ Ом/виток².
Активное сопротивление загрузки:
                                             r₂ = ,                                             (2.30)
где h₂^* – расчетная высота загрузки (можно принять h
₂
^*
≈
h
₂);

      Ψ_α – вспомогательная фракция, значение которой определяется по графику для соответствующего значения относительного радиуса загрузки Ř₂;

      ∆₂ – глубина проникновения тока в материал загрузки.


                                                    Ř₂= ;                                                 (2.30)
Ř₂= м;


                                                   ∆₂=503 ;                                             (2.31)
∆₂=503 м;
r₂ = Ом/виток² .
Определяем внутреннее реактивное сопротивление загрузки:
                                                 x₂=  ,                                         (2.32)
где Ψ_р – вспомогательная фракция, значение которой определяется по графику для Ř₂.

 

x₂ = Ом/виток².
Реактивное сопротивление воздушного зазора:
                                       x₃= ;                                         (2.33)
x₃= Ом/виток².
Реактивное сопротивление обратного замыкания:
                                           x₀=,                                                  (2.34)
где k₁ – поправочный коэффициент, учитывающий конечную высоту реального индуктора (коэффициент Нагаока);

       x₁₀ – реактивное сопротивление пустого индуктора.
                                               k₁=;                                                 (2.35)
k₁=;

                                             

 x₁₀= ;                                    (2.36)
x₁₀= Ом/виток²;
x₀=·10^-6 Ом/виток².
Коэффициент приведения параметров загрузки к току индуктора:
                                          с_пр=;                                      (2.37)
с_пр=.
Тогда приведенные активное и реактивное сопротивления загрузки:
                                                        r₂^*=c_np·r₂   ;                                                      (2.38)
r₂^*=0.3·255.4·10^-6=76.62·10^-6 Ом/виток²;

                                

   x₂^*=c_np·
  ;                                (2.39)


x₂^*=0,3· =     = 1242,87∙10^-6 Ом/виток².
Эквивалентное полное сопротивление системы индуктор-загрузка:
                                                          z_э ;                                          (2.40)
r_э=8,789·10^-6+76,62·10^-6=85,4·10^-6 Ом/виток²;
x_э=8,789·10^-6+1242.87·10^-6 =1251,65·10^-6 Ом/виток²;
z_э Ом/виток².
Электрический к. п. д. и коэффициент мощности индуктора с загрузкой:
                                                         

 ;                                                (2.41)

                                                    

   ;                                              (2.42)
;
.
Активная мощность источника питания:
                                                      ,                                       (2.43)
где η_всп – учитывает электрические потери в короткой сети в конденсаторной батарее и других элементах установки принимаем η_всп ≈ 0,9.


 кВт.
Выбираем электропечной трансформатор для питания ИПУ промышленной частоты ЭОМП 2000/10-72.

Число витков индуктора:

                                                 ,                                               (2.44)
где Р_и – мощность, подведенная к индуктору, Вт.
                                              ;                                               (2.45)

 

 кВт;
54,2.
Определяем ориентировочную высоту индуктирующего витка:
                                                      ;                                               (2.46)            

 мм.
Окончательно высоту индуктирующего витка принимаем 18 мм.

Уточняем высоту индуктора:
                                                        ;                                                 (2.47)
 м;

            

                                                       ;                                                (2.48)
.
Полученное число витков необходимо разметить по высоте индуктора. Зазор между витками заполняют электрической изоляцией из расчета иметь напряжение на 1 мм толщины изоляции в пределах 10÷40 В. Поэтому необходимый зазор определяют по формуле:
                                                    ;                                           (2.49)
 мм.
Зная шаг витка τ_в и изоляционный зазор ∆_из можно уточнить высоту витка и коэффициент заполнения индуктора:
                                                          ;                                                   (2.50)       
 м;
                                                   ;                                                (2.51)
.
Номинальное напряжение печи:
;                                                 (2.52)
В.
Активное r
_и
, реактивное x
_и и полное z
_и сопротивление индуктора:
r_и ;                                                 (2.53)
x_и;                                                (2.54)
z_и;                                                   (2.55)


r_и Ом;


x_и Ом;
z_и Ом.
Сила тока индуктора:
 ;                                                (2.56)
 А.
Настил тока в индукторе (напряженность магнитного поля на внутренней поверхности индуктора):
;                                                 (2.57)
 А/м.
Активную мощность, подведенную к индуктору, находим по уравнению:
 ;                                        (2.58)
 кВт.
2.4 Расчет охлаждения индуктора
В задачу расчета входит определение потребного расхода воды, необходимого для отведения тепла, вызываемого электрическими потерями в индукторе, и потерь напора воды в индукторе, а также проверка допустимой температуры меди индуктора.

Индуктор нагревается не только в результате того, что через него проходит электрический ток, но и вследствие тепловых потерь нагреваемого изделия. Полные потери тепла с водой, охлаждающей индуктор, равны сумме электрических и тепловых потерь:
,                                             (2.59)
где Р_эи – электрические потери в индукторе.
 ;                                            (2.60)
 кВт;
 кВт.
Требуемое количество воды:
 ,                                           (2.61)
где Р_охл – полные потери тепла с водой;

       t_охл – температура воды на входе в индуктор;

       t_вых – температура воды на выходе из индуктора.
 м³/ч.
Скорость движения воды в индукторе:
 ,                                                        (2.62)
где n_в – число параллельных витков охлаждения индуктора, от которого зависит скорость движения воды при определенном расходе V_охл6 как показывает практика, при скорости воды больше 1,5 м/с потери напора в индукторе превышают допустимые, поэтому ориентировочно принимается число секций равным  (на первом цикле расчета можно принять ).
 м/с.
Определим число Рейнольдса, которое характеризует режим течения жидкости в канале:
  ,                                                    (2.63)
где ν_в – кинетическая вязкость воды при средней температуре воды в канале;

     d_в.э – гидравлический эквивалент диаметра канала охлаждения, при цилиндрическом канале d_в.э можно принимать равным диаметру канала охлаждения трубки индуктора d_в.
  ;                                            (2.64)
 ºС;
.
При Re >10⁴ движение турбулентное.

Потери напора (перепад давления) воды на длине трубки индуктора (одной ветви охлаждения) также зависит от характера движения, т. е. числа Re. При турбулентном движении:
 ,                                    (2.65)
где l_в – длина канала охлаждения одного витка индуктора;

      ξ_в – коэффициент трения для гладких труб, зависящий от числа Рейнольдса:

             при Re≤2·10³                    

             при 2·10³< Re < 10⁵                

      ζ_пов – коэффициент сопротивления поворота струи на 360ºС;            

      κ_ш – коэффициент увеличения сопротивления, вызванный шероховатостью внутренней поверхностью канала охлаждения, κ_ш = 2 ÷ 3.
  ;                                              (2.66)
 м;
  ;                                    (2.67)
  кПа.
Должно соблюдаться условие ∆р<202,6 кПа.

Теперь необходимо убедится, что условия конвективной теплопередачи в канале охлаждения обеспечивают отвод от индуктора суммарных потерь Р_охл.

Мощность, которая может быть отведена охлаждающей водой:
 ,                                  (2.68)
где Т_ин – температура стенки индуктора (обычно Т_ин ≤ 428 К)

       κ_в – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения теплового потока по периметру накала охлаждения (поверхность охлаждения составляет не более 40-45 % внутренней поверхности трубки, т. к. ток циркулирует не по всей трубке, а только по той части ее, обращенной к нагреваемому изделию);

       α_в – коэффициент теплоотдачи от стенки индуктора к охлаждающей воды.
,                                                (2.67)
где Nu – критерий Нусельта.

При турбулентном режиме критерий Нусельта можно определить:
 ,                                          (2.68)
где Pr – критерий Прандмая, являющийся теплофизической характеристикой теплоносителя:
 ,                                                 (2.69)
где α_в – коэффициент температуропроводности воды.
 ;
;
 кВт/(м²·К);
кВт.
Таким образом соблюдается условие:
Р_охл < Р_в.                                                     (2.70)
2.5 Расчет конденсаторной батареи
В индукционных нагревательных установках реактивная мощность достаточно велика, а, следовательно, cos φ весьма низок. Поэтому в установках такого типа для компенсации реактивной 0предусматривают включение в электрическую печь батареи конденсаторов, емкость которой выбирают из условий резонанса цепи печь-конденсаторы с частотой питающего тока. Батареи составляют из конденсаторных банок, часть из которых постоянно подключена к индуктору, а часть включена через коммутирующие устройства – эти банки пдключаются по мере необходимости для подстройки колебательного контура в резонанс при изменении параметров загрузки во время нагрева.

Задачей расчета является определение необходимого количества конденсаторных банок, а также электрических потерь в конденсаторах.

Тип конденсатора выбирают по справочным данным в зависимости от частоты тока, напряжения на индукторе. Выбираем конденсатор серии КСЭ 1,05–75V4.

Определяем реактивную мощность конденсаторной батареи, необходимую для доведения низкого cosφ установки до значения cosφ_к:
  ,                                    (2.71)
где κ_б – коэффициент запаса мощности на случай выхода из строя части конденсаторов и на допуски по значению емкости (κ_б=1,25÷1,30);

      tgφ – «естественный» коэффициент реактивной мощности;

      tgφ_к – коэффициент мощности, соответствующий cosφ_к колебательного контура.
 ;                                          (2.72)
;
 Вар.
Общая емкость конденсаторной батареи:
 ;                                           (2.73)
мкФ.
Необходимое число конденсаторных банок:
 ,                                               (2.74)
где С₁ – номинальная емкость одной банки.
.
Электрические потери в конденсаторной батареи:
 ,                                           (2.75)
где tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь.
 Вт.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта на тему «Конструкция и расчет индукционной тигельной печи для выплавки чугуна производительностью 2,5 т/ч» была изучена конструкция и работа индукционной тигельной печи, были проведены расчеты:

-       определение размеров рабочего пространства печи;

-       тепловой расчет печи;

-       электрический расчет печи;

-       расчет охлаждения индуктора;

-       расчет конденсаторной батареи.

Также выполнены чертежи индукционной печи.

Список использованных источников

1             Миткалинный В.И. Металлургические печи: Атлас / Миткалинный В.И., Кривандин В.А., Морозов В.А. и др. – М.: Металлургия, 1987. С.267, С.25-53

2             Самохвалов Г.В. Электрические печи черной металлургии / Самохвалов Г.В., Черныш Г.И. – М.: Металлургия, 1984. С.452, С.83-149.

3             Толымбеков М.Ж. Методические рекомендации по выполнению производственно-профессиональных расчетов по технологическим и конструктивным курсам металлургических специальностей. Алма-Ата: РУМК, 1990. С.450, С.127-158.

4             Поволоцкий Д.Я. Электрометаллургия стали и ферросплавов / Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. – М.: металлургия, 1984. С.236, С.26-37.

5             Еднерал Ф.П. Электрометаллургия стали и ферросплавов. – М.: Металлургия, 1977. С.360, С.132-140.