Учебное пособие. Министерство образования Российской Федерации

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

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 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.

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

Подготовлено кафедрой «Электротехника и электротехнологические системы».

ISBN 5 – 230 – 06571 – 0 ã 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 электротехнологическими.

Следует отметить то, что в электротехнологических процессах используются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов: электропроводность, магнитная проницаемость, диэлектрическая проницаемость, теплопроводность, 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 магнитных полей (с широким диапазоном напряженностей) можно совершать бесчисленное множество операций, а именно: изменение температуры, формы, структуры, состава, изменение свойств в разных направлениях и т.д.

Электротехнологические установки условно делятся на следующие группы:

- электротермические – установки, основанные на тепловом действии тока;

- электрохимические – установки, основанные на электрическом действии тока;

- электрофизические:

§ электромеханические установки, в которых импульсный ток вызывает возникновение электромеханических усилий в обрабатываемом материале;

§ электрокинетические, в которых происходит преобразование энергии электрического поля в энергию движущихся частиц;

- специальные – установки, представляющие совокупность различного рода воздействий, в частности, перенос энергии за счет электромагнитного поля, например, устройства для электродинамической 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 электромагнитного перемешивания жидких металлов.

Среди перечисленных групп группа электротермических установок является одной из наиболее распространенных.

Понятие «электротермические установки» характеризует электротермическое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями 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 основного энергоносителя.

Электротермическое оборудование классифицируется следующим образом:

1. Электрические печи (электропечи) – оборудование, предназначенное 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, входящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный тепловой режим.

2. Электротермические устройства – оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую, без нагревательной камеры.

3. Электротермические агрегаты – совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и другого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.), обеспечивающих его нормальное функционирование.

Электротермическое оборудование разнообразно по назначению, конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам.

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

По методу нагрева электротермическое оборудование (ЭТО) подразделяется следующим образом:

- ЭТО сопротивления – с выделением теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока;

- дуговое – с выделением теплоты в электрической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами;

- индукционное – с передачей электроэнергии нагреваемому телу, помещенному в переменное электрическое поле, и превращением ее в тепловую энергию при протекании индуцированных токов;

- диэлектрическое – с выделением теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при электрической поляризации;

- электронно-лучевое – с выделением теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом;

- ионное – с выделением теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме;

- лазерное – с выделением теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, 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 осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной 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 материалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т.п.).

Индукционной плавильной установкой называют индукционную установку, в которой нагреваемый металл или сплав доводится до плавления, т.е. меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева.

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

Важнейшим элементом любой индукционной установки является индуктор, представляющий собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, подключаемой к внешнему источнику переменного тока, и предназначенный для дистанционного (бесконтактного) наведения в нагреваемом изделии переменного электромагнитного поля и электрического тока, разогревающего 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, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава;

§ 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,

§ устройства для выращивания монокристаллов,

§ устройства для гарнисажной плавки,

§ устройства для струйной плавки.

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

Вся литература и информация об электронагреве подбирается и учитывается по международной системе - универсальной десятичной классификации (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, предназначенные 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 современной электротехники.

В 1802 году русским ученым В.В.Петровым (1761 – 1834 гг.) было открыто 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 электромагнитной 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 металлических средах. В середине XIX века англичанин Джеймс Максвелл получил основополагающие уравнения электромагнитного поля, носящие его имя, и построил 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 нагрева металлов и сплавов началось лишь спустя много лет, так как для этого необходимо было соответствующее развитие электротехники, а также энергетического хозяйства.

Выдающуюся роль в развитии этих областей науки сыграли русские ученые 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 электроэнергии 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 получили за рубежом широкое и разнообразное развитие.

	В 1906 – 1907 гг. появилась печь Рехлинг-Роденгаузера [2]. Эта печь имела два индуктора и два окружавших их канала, которые, соединяясь в средней части, образовывали общую ванну, вмещавшую основную массу металла. Появившиеся в 1916 г. печи нового типа (рис. 1.3), предложенные Уайтом, представляли собой решительный шаг вперед, после которого начался быстрый рост применения канальных индукционных печей. Эти печи отличаются тем, что вместо открытого желоба с металлом, характерного для первых печей, печи нового типа имеют вертикальный канал 1, проходящий в огнеупорном массиве 2, называемом «подовым камнем». Устья канала входят в дно ванны 3, где помещается вся масса расплавляемого металла. Индуктор 4 находится в цилиндрическом проеме подового камня. Индуктор и внутренние стенки по-
Рис. 1.1. Индукционная печь с открытым горизонтальным каналом системы Кьеллина: 1 – кольцевой желоб; 2 – индуктор
дового камня для охлаждения обдуваются вентилятором 5.
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 Московском электрозаводе. Большую роль в разработке и проектировании этих печей 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 электрического расчета индукционных канальных печей (с магнитопроводом) была сделана в 1933 г. [18].

Необходимо отметить, что до этой попытки как за рубежом, так и в нашей 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 недоработок, в частности, в таких вопросах, как подсчет индуктивного сопротивления и коэффициента мощности печей, отношение массы стали магнитопровода к массе меди индуктора и др.

Большой интерес представляет зарубежный опыт в области проектирования установок и эксплуатации индукционных печей, накопленный одной из крупнейших мировых фирм Brown Bovery und Cie Aktiengesellschaft и отраженный в книге К.Брокмайера «Индукционные плавильные печи» [20].

Значительный вклад в развитие теории и практики индукционного нагрева внесен отечественными учеными В.П.Вологдиным, Г.И.Бабатом, М.Г.Лозинским, А.Е.Слухоцким, А.В. Донским, К.З.Шепеляковским, А.М.Вайнбергом, С.А.Фарбманом, И.Ф.Колобневым и др.

2. ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ