Кафедра: «машины и технология литейного производства»

Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Время от начала опыта, мин.

Температура образцов диаметром, мм

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Доц., к. т. н. Маляров А.И. Одобрено

Методической комиссией факультета К.Т.

28 сентября 2000 г.

Изучение устройства печи ИСТ006 и методов регулирования

электрических режимов плавки.

Методические указания к лабораторной работе по курсу:

«Литейные сплавы и плавка»

МОСКВА -2000

УДК: Т 621.745.5

Доц., к. т. н. Маляров Аркадий Ильич

Методические указания к лабораторной работе «Изучение устройства печи ИСТ 006 и методов регулирования электрических режимов плавки».

С.20.Рис.9,Табл.2

МГТУ МАМИ, 2000

Цель работы - установить зависимость эффективности индукционного нагрева от размеров кусков шихты и её электромагнитных свойств, научить студентов выбирать электрические режимы работы установки, обеспечивающие минимальный расход электроэнергии на плавку

Излагается конструкция каркаса печи, технология изготовления футеровки, электрические параметры преобразователя частоты и конденсаторной батареи, настройка контура в резонанс с помощью щита управления.

Приводится порядок выполнения экспериментальной части работы и содержание отчета.

2000 г.

Изучение устройства печи ИСТ006 и методов регулирования электрических режимов плавки.

Работа рассчитана на 4 часа.

1. Общие сведения.

1.1. Принцип действия индукционных тигельных печей.

Работа индукционных тигельных печей (Рис.1.1) основана на принципе передачи энергии индукцией от первичной цепи к вторичной. Электрическая энергия переменного тока, подводимая к первичной цепи, превращается в электромагнитную энергию поля, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую.

Переменный ток от источника питания 1, проходя по виткам индуктора 2, создает переменное электромагнитное поле. Электромагнитные волны проникают внутрь электропроводной загрузки тигля на глубину D Э (называемую глубиной проникновения) и возбуждают в поверхностном слое шихты переменный электрический ток, который и приводит к нагреву и плавлению металла. Та часть энергии электромагнитного поля, которая не была поглощена шихтой, взаимодействуя с витками индуктора, индуцирует в них реактивный ток, направленный на встречу току источника питания и отстающий от него по фазе на 90°. Таким образом, часть энергии, излучаемой индуктором в течение каждого периода (реактивная мощность), возвращается в него с опозданием по фазе на 90°. Эта реактивная мощность циркулирует между индуктором и источником питания. В связи с тем, что между загрузкой тигля и индуктором имеется большой воздушный зазор, равный толщине стенок футеровки, реактивная мощность печи в десятки раз превосходит мощность, поглощаемую загрузкой (активную мощность). Поэтому реактивный индуктивный ток IL, циркулирующий от индуктора к источнику питание, также в десятки раз превосходит активный ток Iа в цепи. Из векторной диаграммы токов (Рис.1.2) видно,

что при таком соотношении величин токов коэффициент

мощности установки (естественный Cos j) не превышает 0,1.

Рис.1.2. Векторная диаграмма токов

Для того чтобы разгрузить источник питания от индуктивных (запаздывающих) токов, в электрическую цепь параллельно индуктору выключают конденсаторную батарею. Известно, что ток, протекающий через конденсаторы Ic,опережает напряжение на 90°. Емкость конденсаторов подбирают так, чтобы опережающий емкостной ток, проходящий через них, был равен по величине запаздывающему индуктивному току индуктора. В этом случае реактивные токи индуктора и конденсаторов взаимно компенсируются, реактивная мощность циркулирует в коротком колебательном контуре индуктор - конденсаторы, а источник питания остается загруженным только активным током.

Рис.1.3 Диаграмма токов при настройке контура в резонанс

На Рис.1.3 показана векторная диаграмма токов в колебательном контуре, при правильной настройке его в резонанс, т.е. когда IL= - Ic. Из диаграммы видно, что сosj установки с компенсирующими конденсаторами может быть равен 1.

Мощность, поглощаемая загрузкой печи, зависит от ее электромагнитных свойств, поэтому при работе на разных шихтах, а также при изменении электромагнитных свойств загрузки в процессе ее нагрева и плавления соотношение активных и индуктивных токов и индукторе изменяется. Это приводит к нарушению резонанса колебательного контура. Для подстройки контура в резонанс в электрической схеме печи (Рис. 1.1) наряду с постоянно включенными конденсаторами 3 предусматриваются подстроечные конденсаторы (или наборные емкости) 4.

1.2. Влияние частоты тока и размеров загрузки тигля на эффективность индукционного нагрева.

В течение большого периода плавки от расплавления шихты и до выпуска металла загрузка тигля представляет собой сплошное металлическое тело близкое по форме к цилиндру. Толщина поверхностного слоя, в котором циркулируют вихревые токи, называется глубиной проникновения тока в металл - Dэ зависит от удельного электрического сопротивления металла r, его относительной магнитной проницаемости μr и частоты тока f. Она определяется по формуле:

Dэ=503Ör/mr*f

где: Dэ – в м, ρ – Ом *м, f – в Гц

Расчеты показывают, что для получения удовлетворительного К.П.Д. индукционного нагрева диаметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проникновения не менее чем 4 - 5 раз, т.е.

dц ≥ (4…5)* Dэ (1.2)

Цилиндр меньшего диаметра, помещенный в индуктор, оказывается "прозрачным" для электромагнитных волн, которые проходят через него, не вызывая существенного нагрева. Это явление используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Для этого сердечники выполняются не сплошными, а сборными из пластин, толщина которых много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируют друг о друга.

Пользуясь соотношениями (1.1) и (1.2), определим минимальные диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе промышленной частоты - 50Гц. Для этого по формуле (1.1) находим глубину проникновения тока в жидкий чугун.

r жидкого чугуна =1,3*10-6Ом*м; μr=1; f=50 Гц

1,3*10-6

Dэ = 503* ¾¾¾ = 0,081м = 81 мм

1*50

Следовательно, минимальный диаметр тигля печи промышленной частоты должен быть:

dц ³ (4¸5)*81=324¸400 мм.

Это условие обеспечивает возможность перегрева жидкого металла в печи. Однако пуск печи промышленной частоты на твердой завалке невозможен, т.к. размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве, значительно меньше 324…400мм. Вследствие этого плавку в печах промышленной частоты ведут с использованием переходной ванны (плавка с «болотом»). Для этого при выпуске предыдущей плавки в тигле оставляется не менее 1/3 его объема жидкого металла («болото»). При проведении последующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая загружается в печь и тонет на дно тигля. Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого металла в цехе проводится с использованием пусковых болванок. Они представляют собой слитки, диаметр которых равен диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева. В настоящее время существуют чугуноплавильные печи промышленной частоты емкостью от 1 до 60 тонн.

Плавка чугуна в печах промышленной частоты с «болотом» требует обязательного удаления с поверхности кусков шихта влаги, масел и эмульсии во избежание выбросов жидкого металла при загрузке. Для этого шихту подогревают газом до ~500°С в специальных нагревательных бадьях.

Плавка стали в индукционных тигельных печах ведется на твердойзавалке без переходной ванны, поэтому частота тока для этих печей подбирается исходя из размеров кусков используемой шихты. Для наиболее часто встречающихся размеров шихты (от 20 до 100 мм) частота тока должна быть от 2500 до 500 Гц соответственно.

Изучаемая в работе печь ИСТ006 имеет емкость 60 кги работает на частоте 2400 Гц. Электрический К.П.Д. и расход электроэнергии при плавке в индукционной тигельной печи зависит от размеров и формы кусков используемой шихты.

Расчеты, проведенные Г.И. Бабатом, показывают, что при постоянной величине тока в индукторе наибольшая удельная мощность (т.е. мощность, отнесенная к единице объема металла) выделяется в кусках, имеющих форму цилиндра, диаметр которого равен 3,5*Dэ. Для кусков шихты в форме пластин максимальная удельная мощность соответствует условию: толщина пластин d=2,5*Dэ и для шара: d шара=4,8*Dэ.

Приведенные соотношения определены для стали, имеющей μ=1, т.е. стали, нагретой выше 750°С. При частоте тока 2400 Гц глубина проникновения тока в сталь или чугун при t=750 ° С равна:

1,1*10-6

Dэ = 503* ¾¾¾ = 0,0107м = 10.7 мм

1*2400

Поэтому оптимальной шихтой для плавки в изучаемой печи будут цилиндрические куски диаметром 35 мм, пластины толщиной 25 мм или шаровидные куски диаметром 50 мм. Загрузив в тигель куски различной формы и размеров, можно убедится в том, что куски оптимальных размеров быстрее прогреваются и плавятся.

1.3. Устройство плавильной установки ИСТ 006.

Плавильные установки типа ИСТ серийно выпускаются отечественной промышленностью. Буквенные индексы обозначают: И – индукционная, С - сталеплавильная, Т - тигельная; число после буквенного индекса показывает емкость тигля в тоннах. Выпускаются серийно печи типа ИСТ емкостью 160кг, 400 кг, 1, 2 и 3т.

1.3.1.Конструкция печи

Каркас печи (Рис.1.4) изготовляется из стальных угольников 1 и асбоцементных плит 2. Для уменьшения разогрева металлических конструкций каркаса под действием внешнего магнитного поля применяются немагнитные стали. Кроме того, стыковка металлических деталей каркаса осуществляется так, чтобы они не образовывали замкнутых электрических контуров. Для этого на стыках используются электроизоляционные прокладки, втулки и шайбы.

Рис.1.4 Разрез печи ИСТ 006

Индуктор печи 3, выполненный из медной трубки диаметром 22мм с толщиной стенки 2 мм, имеет 13 витков. Витки индуктора с помощью приваренных к ним латунных шпилек крепятся к четырем текстолитовым стойкам 4,чем обеспечивается равномерный воздушный зазор между витками, равный 5 мм. Первый и последний витки выводятся на контактную колодку 10, где к ним подсоединяются гибкие водоохлаждаемые кабели 12, подводящие ток от генераторной установки. Шланги для подвода и слива воды подсоединяются к штуцерам 11. Второй и третий (снизу) витки индуктора имеют отпайки, наличие которых облегчает регулирование электрических режимов плавки (см. п. 1.4). Для слива металла печь наклоняется на 90° вокруг оси, расположенной на уровне сливного носка 5. Наклон осуществляется тельфером, крюк которого зацепляется за скобу 13 в нижней части задней стенки каркаса. Для изготовления тигля печи применяются футеровочные массы. Кислая футеровка набивается из смеси сухого кварцевого песка (3 объемных части), маршалита (1объемн. часть) и 1-2% порошкообразной борной кислоты в качестве связующего вещества. Перед набивкой тигля внутрь индуктора устанавливается цилиндр из асбестового листа 12, а на дно печи укладывается асбестовый круг 11. Дно печи засыпается и послойно утрамбовывается футеровочной смесью до уровня второго витка индуктора. На образовавшуюся подину 13 устанавливается литой или сварной шаблон 14. В зазор между шаблоном и асбестовым цилиндром послойно засыпается и утрамбовывается футеровочная масса. Верхняя часть печи (воротник) выполняется шамотным кирпичом и огнеупорной глиной. Сливной носок, сделанный из шамота, поставляется заводом изготовителем и при футеровки печи заделывается в «воротник».

После набивки тигля печь включают на небольшую мощность, при этом шаблон, являющийся замкнутым вторичным виткомтрансформатора,

разогревается до красна, благодаря чему происходит сушка и спекание

футеровки. Процесс сушки длится 3-4 часа для полного удаления остатков влаги из футеровок. После этого увеличивают мощность. Шаблон расплавляется, благодаря чему происходит окончательное спекание футеровки.

Футеровка И.Т.П. работает в исключительно напряженных условиях. Она испытывает многократные изменения температуры при плавке и холодных простоях печи, удары шихты при загрузке, химическое воздействие со стороны металла и шлака, ферростатическое давление и размывающее действие металла, который интенсивно перемешивается в печи под действием электромагнитных сил. Перепад температуры по толщине стенок футеровки составляет 1400…1600°С - в слое, контактирующем с расплавом, и около 400°С в слое, прилегающем к водо-охлаждаемому индуктору). В тоже время толщина футеровки должна быть минимальной для уменьшения реактивной мощности печи. Для печи ИСТ006 средняя толщина футеровки равна - 50 мм. Напряженные условия работы футеровки требуют тщательного соблюдения технологии ее набивки и спекания.

Правильно изготовленная футеровка должна состоять из трех слоев (Рис. 1.5):

1- полностью спекшийся слой (черного цвета).

2 - полуспекшийся слой оранжевый.

3-сыпучий буферный слой.

Если в процессе плавки образуется трещина в жестком спекшемся слое 1 и в полуспекшемся слое 2, то струйка металла застывает, дойдя до сыпучего буферного слоя. Это позволяет довести плавку до конца и избежать аварии.

1.3.2. Электрооборудование печи.

Упрощенная схема плавильной установки показана на рис. 1.6. Источником питания служит машинный преобразователь частоты 1 ВПЧ 6О/2400, мощностью 60 кВА, частотой тока 2400 Гц напряжение 400 В, максимальный ток 166 А.

Конденсаторная батарея 2 состоит из постоянно включенных конденсаторов 3 общей емкостью 148 мкФ. Подстроечные емкости 4

Рис. 1.5. Схематичный разрез футеровки.

делятся на 5 секций. Емкость каждой последующей секции в 2 раза больше предыдущей. Индуктор печи 5 и конденсаторная батарея, между которыми циркулирует реактивный ток силой» 1000 A, соединены

Рис. 1-6 Схема плавильной установки ИСТ 006

между собой медными шинами 6 сечением 100х10 мм и гибкими водоохлаждаемыми кабелями 7. На щите управления 9 установкой имеются измерительные приборы: вольтметр, амперметр, киловаттметр и фазометр для измерения напряжения, тока, мощности и Cosj в цепи генератора. Эти приборы включены в цепь генератора через трансформаторы тока 8 и напряжения 10.

1.4. Регулирование электрических режимов плавки.

1.4.1. Настройка контура в резонанс.

Проверив исправность установки водяного охлаждения преобразователя

частоты, индуктора, конденсаторов и кабелей, включают в двигатель

преобразователя. После разгона двигателя включают с помощью кнопок на щите управления 1-2 минимальные наборные емкости и, плавно поворачивая рукоятку латра, увеличивают силу тока в обмотке возбуждения преобразователя частоты. При этом приборы показывают увеличение тока, напряжения и активной мощности потребляемой от преобразователя. По показаниям фазометра (Рис. 1-7) настраивают контур в резонанс. Если стрелка фазометра отклонялась вправо в сторону индуктивного тока, то необходимо увеличить емкость конденсаторов, подключив дополнительную емкость, Подбор необходимой емкости производят начиная с подключения наименьшей из наборных емкостей. Если ее оказалось недостаточно, то ее отключают и подключают ближайшую большую и так. до тех пор пока значение Сosj не достигнет 0,85¸0,95 емк.

Впроцессе плавки в связи с изменением электромагнитных свойств шихты и заполненности тигля приходится неоднократно подстраивать контур в резонанс.

Рис. 1-7 Фазометр

На современных плавильных установках в том числе и на печах типа ИСТ имеются автоматические регуляторы электрических режимов (АРЭР), которые выполняют настройку контура в резонанс без участия оператора.

1.4.2. Регулирование мощности, потребляемой от генератора.

После настройки контура печи в резонанс увеличивают мощность, отдаваемую генератором. Для этого, поворачивая ручку латра, повышают напряжение на его зажимах, которое через выпрямитель подается на обмотку возбуждения преобразователя. Это приводит к увеличению напряжения на конденсаторах и индукторе, а, следовательно, и к увеличению тока в индукторе и мощности потребляемой печью. В период расплавления перегрева необходимо стремиться к максимальному использованию мощности генератора (60 кВт). При этом, однако, нельзя превышать максимальные значения тока – 166А и напряжения –800В генератора.

1.4.3. Назначение отпайки.

Электрические параметры печи рассчитаны главным образом на период перегрева жидкого металла. В этот период при номинальном напряжении на индукторе установка потребляет от генератор полную ее мощность при номинальном токе. В период нагрева и расплавления шихты генератор обычно оказывается недогруженным. Наиболее трудным периодом плавки является нагрев шихты от 75О°С (после потери магнитных свойств) до появления жидкой ванны. В это время сопротивление печи возрастает, а, следовательно, уменьшается сила тока в индукторе и мощность, поглощаемая шихтой. Мощность, потребляемая печью в этот период, не превышает 70-80 % номинальной мощности генератора при максимально допустимом напряжении генератора - 800 В.

Для увеличения мощности, потребляемой печью, необходимо увеличить напряжение на индукторе, не перегружая по напряжению генератор.

Это достигается путем подключения индуктора к генератору на отпайку. На Рис. 1.8 (а) показано включение индуктора на полное число витков. При этом напряжение на индукторе и конденсаторах равно напряжению на генераторе. При подключении генератора к отпайке (Рис. 1-8 б)индуктор работает как повышающий автотрансформатор.

Рис. 1.8 Схемы подключения индуктора к генератору. а)- на полный индуктор б) - на отпайку.

Напряжение генератора (800В) будет теперь приходиться на часть витков индуктора, а на всем индукторе и на конденсаторах напряжение повысится. Однако напряжение на индукторе не должно превышать допустимого напряжения на конденсаторах. Для этого опытным путем подбирают место крепления отпайки (от 2-го или от 3-го витка индуктора).

2. Проведение работы

2.1. Оборудование, приборы и материалы используемые в работе.

Индукционная плавильная установка ИСТ006. Потенциометр КСП с хромельалюмелиевыми термопарами, цилиндрические образцы из немагнитной стали длиной 300 мм и диаметром 10, 30, 50, 70, 90 и 110 мм, чушковый чугун.

2.2. Порядок выполнения работы.

- Изучить устройство плавильной установки ИСТ006. Работу проводить на обесточенной установке под руководством учебного мастера.

- Изучить устройство печи, заэскизировать печь, записать в отчет параметры индуктора: диаметр трубки диаметр индуктора, число витков индуктора с отпайкой и без отпайки.

- Ознакомиться с техническими характеристиками преобразователя частоты, устройством его пуска и охлаждения.

- Ознакомиться с устройством конденсаторной батареи. Записать в отчет величины емкостей постоянно включенных в контур и каждой из групп наборных емкостей.

- Ознакомиться с расположением, принципом действия и назначение систем зашиты установки по току, напряжению и блокировочными устройствами.

- Изучить устройство токоподвода печи.

- Сделать схему расположения оборудования установки.

- Загрузить в тигель 3 чугунные чушки и включить печь (включение проводит учебный мастер).

- Изучить приемы настройки контура в резонанс применяемые учебным мастером. По мере разогрева шихты и подстройки контура записать показания щитовых приборов в бланк таблицы №1.

- После потери шихтой магнитных свойств переключить индуктор на отпайку (переключение выполняет учебный мастер). Сопоставить показания приборов при работе на полном индукторе и с отпайкой.

Таблица №1.

Время от начала опыта	Uген. (В)	Uконту-ра. (В)	Iген. (А)	Pген. (кВт)	Cos j емк. «-» инд,«+»	Номера включенных групп	Примечание

д) Выключить печь. Извлечь клещами из тигля нагретые чушки чугуна и расположить в нем цилиндрические образцы с термопарами, как показано на Рис. 2-1.

Рис. 2.1. Схема расположения образцов в тигле печи.

е) После включения учебным мастером установки регистрировать показания термопар, заделанных в образцы с помощью КСП. Опыт прекратить по достижении одним из образцов температуры 900°С. Результаты занести в таблицу №2.

Таблица №2.

По результатам опыта определить диаметр цилиндрических кусков шихты оптимальной для индукционного нагрева на частоте 2400 гц. Сопоставить полученный результат с расчетным по пункту 1.2.

2.3. Содержание отчета.

а) параметры индуктора;

б) технические характеристики преобразователя частоты;

в) величины емкостей секций конденсаторной батареи;

г) схема расположения оборудования плавильной установки;

д) таблица №1 - изменение электрических показателей при нагреве твердой шихты;

е) таблица №2 - изменение температуры образцов разного диаметра при индукционном нагреве;

ж) выводы.

Аркадий Ильич Маляров

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА ПЕЧИ ИСТ006 И МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПЛАВКИ. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Литейные сплавы и плавка»

Подписано в печать Заказ Тираж 100

Усл. п. л.-0.5 Уч. изд. л.-07

Бумага типографская формат 60х90/16

МГТУ «МАМИ» Москва 105839 Б. Семёновская, 38