ЛАБОРАТОРНАЯ ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ МАЛОЙ ЕМКОСТИ ДЛЯ ЗАМЕШИВАНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ
|
ВВЕДЕНИЕ 1
1. Обзорная часть 6
1.1 Конструкция печей 6
1.2 Малогабаритные тигельные печи 8
2. Современные индукционные тигельные печи 10
3. Аналитический расчет 17
4. Численный расчет 41
5. Экспериментальная часть 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
1. Обзорная часть 6
1.1 Конструкция печей 6
1.2 Малогабаритные тигельные печи 8
2. Современные индукционные тигельные печи 10
3. Аналитический расчет 17
4. Численный расчет 41
5. Экспериментальная часть 48
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
Индукционные тигельные печи предназначены для плавки черных и цветных металлов. Они могут использоваться как в качестве основного агрегата для плавки твёрдой шихты, так и в качестве вторичного агрегата при дуплекс - процессе.
По конструкции плавильного тигля различают печи: с керамическим (футерованным) тиглем, с проводящим металлическим тиглем, с проводящим графитовым или графитошамотным тиглем, с холодным тиглем (водоохлаждаемым металлическим тиглем).
Для плавки твердой шихты могут применяться индукционные тигельные печи повышенной и промышленной частот, причём в последних свежая шихта обычно загружается в жидкий металл, оставшийся после слива металла от предыдущей плавки.
В настоящее время в России ИТП имеют достаточно широкий номенклатурный ряд, который перекрывает потребности цветной и чёрной металлургии, золотодобывающей промышленности, полупроводниковой промышленности, химической промышленности и других отраслей народного хозяйства. Из номенклатурного ряда можно выделить следующие, наиболее распространённые, типы ИТП: ИСТ - для плавки стали; ИЧТ - для плавки чугуна; ИЛТ - для плавки меди и сплавов на её основе; ИАТ - для плавки алюминиевых сплавов.
Индукционные тигельные печи повышенной частоты серии ИСТ применяются преимущественно для плавки легированных сталей и работают, в основном, на повышенных частотах, начиная от 500 Гц и до 2400 Гц. Плавка в них ведётся в основном при периодическом режиме, т.е. с полным сливом металла после каждой плавки. Печи серии ИСТ могут использоваться также для плавки чугуна и ферросплавов. Использование этих печей для плавки чугуна оправдано только при частых сменах выплавляемых марок и необходимости полного слива металла; при применении одной и той же печи для плавки стали и чугуна; при применении печей емкостью менее одной тонны.
Рабочей частотой таких печей является повышенная частота 1000 Гц; 2400Гц: 8000 Гц и 10000 Гц, а их ёмкость не превышает 2,5 тонн. По способу нагрева эти печи подразделяют на печи прямого нагрева, в которых токи индуцируются непосредственно в загрузке, и косвенного нагрева, в которых токи индуцируются во вспомогательном нагревателе, установленном между индуктором и загрузкой. По характеру работы вакуумные ИТП могут быть периодического и полу непрерывного действия.
Индукционные тигельные печи промышленной частоты серии ИЧТ предназначены для плавки и выдержки чугуна. Они должны эксплуатироваться в непрерывном режиме, т.е. с догрузкой твердой шихты в расплав, остающийся после слива очередной порции металла. Работа этих печей только на твердой шихте затруднена.
Печи ИТП могут использоваться также и в качестве миксеров (серия ИЧТМ). Их мощность в этих случаях должна быть достаточной только для покрытия тепловых и электрических потерь с небольшим запасом для возможности перегрева металла перед разливкой.
Особое место занимают индукционные вакуумные тигельные печи, которые применяются для плавки и рафинирования высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких, высокореакционных, радиоактивных и токсичных металлов и сплавов. К этим печам относятся печи серии ИСВ.
Применение для плавки алюминиевых сплавов индукционных печей повышенной частоты рекомендуется только тогда, когда к металлу предъявляются требования минимума окисных и газовых загрязнений. Конструкция этих печей обеспечивает отсутствие разрыва защитной поверхности окисной пленки вследствие циркуляции расплава. Особое место занимают индукционные вакуумные тигельные печи, которые применяются для плавки и рафинирования высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких, высокореакционных, радиоактивных и токсичных металлов и сплавов. К этим печам относятся печи серии ИСВ. В остальных случаях применяются печи ИАТ работающие на промышленной частоте.
В зависимости от того, идет ли процесс плавки на открытом воздухе или в вакууме (в защитной атмосфере), различают печи: открытые (плавка на воздухе), вакуумные (плавка в вакууме), компрессионные (плавка под избыточным давлением). По организации процесса во времени различают печи: периодического действия, непрерывного действия, полу непрерывного действия.
Достоинства тигельных плавильных печей:
- выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;
- интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
- принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи);
- высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах);
- возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую;
- простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;
- высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.
К недостаткам тигельных печей следует отнести:
- Относительно низкую температуру шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки (шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже);
- Сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла).
- Однако преимущества тигельных печей перед другими плавильными агрегатами настолько значительны, что они нашли в последние годы чрезвычайно широкое применение в самых разных отраслях промышленности.
Обширный номенклатурный ряд ИТП, их простота и надёжность перед другими типами печей приводит к расширению области использования ИТП в направлении плавки металлов с низким удельным сопротивлением, таких как алюминий, медь и сплавы на их основе. Это объясняется, с одной стороны, общим уменьшением дефицита электроэнергии, а с другой -эксплуатационными преимуществами, которые создаёт плавка в тигельных печах, при плавке алюминия и его сплавов в ИТП отпадает необходимость регулярной чистки тигля. Кроме того, в тигельных печах, можно вести одиночные плавки, что затруднительно для индукционных канальных печей. В некоторых случаях этот довод может являться решающим в пользу применения тигельных печей для плавки цветных металлов.
Увеличение ёмкости и габаритов тигельных печей позволяет успешно переплавлять одновременно крупногабаритную и мелкую твёрдую шихту с повышенным содержанием примесей. Во многих случаях ИТП могут вести плавку на токе промышленной частоты, благодаря чему отсутствие преобразователей частоты позволяет поднять общий электрический коэффициент полезного действия установки, который может быть больше, чем при применении повышенной частоты. Однако применение ИТП, представленных в номенклатурном ряде с фиксированными характеристиками является не всегда приемлемым для того или иного, промышленного предприятия и требует их уточнения, а в некоторых случаях существенного изменения. Это обусловлено условиями эксплуатации установки, характером шихты, особенностями технологического процесса, улучшением энергетических показателей ИТП.
Поэтому расчет и проектирование ИТП с заданными техническими характеристиками является задачей актуальной.
По конструкции плавильного тигля различают печи: с керамическим (футерованным) тиглем, с проводящим металлическим тиглем, с проводящим графитовым или графитошамотным тиглем, с холодным тиглем (водоохлаждаемым металлическим тиглем).
Для плавки твердой шихты могут применяться индукционные тигельные печи повышенной и промышленной частот, причём в последних свежая шихта обычно загружается в жидкий металл, оставшийся после слива металла от предыдущей плавки.
В настоящее время в России ИТП имеют достаточно широкий номенклатурный ряд, который перекрывает потребности цветной и чёрной металлургии, золотодобывающей промышленности, полупроводниковой промышленности, химической промышленности и других отраслей народного хозяйства. Из номенклатурного ряда можно выделить следующие, наиболее распространённые, типы ИТП: ИСТ - для плавки стали; ИЧТ - для плавки чугуна; ИЛТ - для плавки меди и сплавов на её основе; ИАТ - для плавки алюминиевых сплавов.
Индукционные тигельные печи повышенной частоты серии ИСТ применяются преимущественно для плавки легированных сталей и работают, в основном, на повышенных частотах, начиная от 500 Гц и до 2400 Гц. Плавка в них ведётся в основном при периодическом режиме, т.е. с полным сливом металла после каждой плавки. Печи серии ИСТ могут использоваться также для плавки чугуна и ферросплавов. Использование этих печей для плавки чугуна оправдано только при частых сменах выплавляемых марок и необходимости полного слива металла; при применении одной и той же печи для плавки стали и чугуна; при применении печей емкостью менее одной тонны.
Рабочей частотой таких печей является повышенная частота 1000 Гц; 2400Гц: 8000 Гц и 10000 Гц, а их ёмкость не превышает 2,5 тонн. По способу нагрева эти печи подразделяют на печи прямого нагрева, в которых токи индуцируются непосредственно в загрузке, и косвенного нагрева, в которых токи индуцируются во вспомогательном нагревателе, установленном между индуктором и загрузкой. По характеру работы вакуумные ИТП могут быть периодического и полу непрерывного действия.
Индукционные тигельные печи промышленной частоты серии ИЧТ предназначены для плавки и выдержки чугуна. Они должны эксплуатироваться в непрерывном режиме, т.е. с догрузкой твердой шихты в расплав, остающийся после слива очередной порции металла. Работа этих печей только на твердой шихте затруднена.
Печи ИТП могут использоваться также и в качестве миксеров (серия ИЧТМ). Их мощность в этих случаях должна быть достаточной только для покрытия тепловых и электрических потерь с небольшим запасом для возможности перегрева металла перед разливкой.
Особое место занимают индукционные вакуумные тигельные печи, которые применяются для плавки и рафинирования высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких, высокореакционных, радиоактивных и токсичных металлов и сплавов. К этим печам относятся печи серии ИСВ.
Применение для плавки алюминиевых сплавов индукционных печей повышенной частоты рекомендуется только тогда, когда к металлу предъявляются требования минимума окисных и газовых загрязнений. Конструкция этих печей обеспечивает отсутствие разрыва защитной поверхности окисной пленки вследствие циркуляции расплава. Особое место занимают индукционные вакуумные тигельные печи, которые применяются для плавки и рафинирования высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких, высокореакционных, радиоактивных и токсичных металлов и сплавов. К этим печам относятся печи серии ИСВ. В остальных случаях применяются печи ИАТ работающие на промышленной частоте.
В зависимости от того, идет ли процесс плавки на открытом воздухе или в вакууме (в защитной атмосфере), различают печи: открытые (плавка на воздухе), вакуумные (плавка в вакууме), компрессионные (плавка под избыточным давлением). По организации процесса во времени различают печи: периодического действия, непрерывного действия, полу непрерывного действия.
Достоинства тигельных плавильных печей:
- выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;
- интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты и отходов, быстрое выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, и гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
- принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи);
- высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах);
- возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулированного футеровкой. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую;
- простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;
- высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.
К недостаткам тигельных печей следует отнести:
- Относительно низкую температуру шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки (шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже);
- Сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла).
- Однако преимущества тигельных печей перед другими плавильными агрегатами настолько значительны, что они нашли в последние годы чрезвычайно широкое применение в самых разных отраслях промышленности.
Обширный номенклатурный ряд ИТП, их простота и надёжность перед другими типами печей приводит к расширению области использования ИТП в направлении плавки металлов с низким удельным сопротивлением, таких как алюминий, медь и сплавы на их основе. Это объясняется, с одной стороны, общим уменьшением дефицита электроэнергии, а с другой -эксплуатационными преимуществами, которые создаёт плавка в тигельных печах, при плавке алюминия и его сплавов в ИТП отпадает необходимость регулярной чистки тигля. Кроме того, в тигельных печах, можно вести одиночные плавки, что затруднительно для индукционных канальных печей. В некоторых случаях этот довод может являться решающим в пользу применения тигельных печей для плавки цветных металлов.
Увеличение ёмкости и габаритов тигельных печей позволяет успешно переплавлять одновременно крупногабаритную и мелкую твёрдую шихту с повышенным содержанием примесей. Во многих случаях ИТП могут вести плавку на токе промышленной частоты, благодаря чему отсутствие преобразователей частоты позволяет поднять общий электрический коэффициент полезного действия установки, который может быть больше, чем при применении повышенной частоты. Однако применение ИТП, представленных в номенклатурном ряде с фиксированными характеристиками является не всегда приемлемым для того или иного, промышленного предприятия и требует их уточнения, а в некоторых случаях существенного изменения. Это обусловлено условиями эксплуатации установки, характером шихты, особенностями технологического процесса, улучшением энергетических показателей ИТП.
Поэтому расчет и проектирование ИТП с заданными техническими характеристиками является задачей актуальной.
В процессе выполнения выпускной квалификационной работы, были углублены и применены навыки компьютерного моделирования в CAD - системах, численного моделирования физических процессов в CAE системах, теоретического и экспериментального использования индукционных систем. Был создан алгоритм для инженерного расчета для индукционных тигельных печей малой емкости в программе MathCad.