3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Литературный обзор

Ковкие чугуны выплавляют в вагранках, дуговых или индукционных печах. Плавка ведется методом переплава без проведения активных металлургических процессов. На рисунке 3.1 представлена схема вагранки

1-фундаментная плита; 2-колонна; 3-горн; 4-фурменная коробка; 5-шахта; 6-шлаковая летка; 7-копильник; 8-чугунная летка.

Рисунок 3.1 – Схема вагранки с копильником

Достоинства вагранки:

а) высокий КПД по расплавлению шихты;

б) минимальное потребление электроэнергии;

в) непрерывность плавки.

К недостаткам вагранки относят:

г) трудность получения чугуна с точным химическим составом и необходимой температурой перегрева;

д) высокая себестоимость литья из-за больших затрат на вспомогательные материалы, на очистное оборудование, на возмещение угара легирующих материалов и шихтовые материалы;

е) плохие санитарно-гигиенические условия труда.

На рисунке 3.2 представлена схема электродуговой печи

1-фундаментная балка; 2-люлька; 3-желоб; 4-кожух; 5-каретка механизма перемещения электродов; 6-полупортал; 7-свод; 8-патрубок газоотсоса; 9-рабочее окно; 10-привод вращения ванны; 11-опорная тумба; 12-приводы наклона печи; 13-поворотный вал;

14-привод подъёма свода

Рисунок 3.2 – Схема дуговой электропечи

Также для получения высокопрочного чугуна используются дуговые печи как с кислой, так и с основной футеровкой. Они обеспечивают возможность быстрого ведения плавки, выдачу металла малыми порциями, получение чугуна любого качества. Печи компактны, просты в управлении и гибки в работе. Однако дуговые печи обладают теми же недостатками, что и вагранки. Отличие в том, что можно получить чугун с любым химическим составом и любой температурой перегрева, но при этом тепловой КПД печи резко снижается.

Индукционные тигельные печи применяются в литейных цехах для плавки чугуна, стали и цветных металлов [5, 6, 10]. Они обладают всеми достоинствами дуговой печи и по сравнению с ней меньшим угаром (в пределах 0,6…2,0%) и меньшим расходом электроэнергии, можно сократить кубатуру помещения (по сравнению с вагранкой) и обслуживающий штат. Схема индукционной печи представлена на рисунке 3.3.

1-тигель; 2-индуктор; 3-основание; 4-сливной носок.

Рисунок 3.3 – Схема индукционной тигельной печи

Одним из главных преимуществ индукционной плавки можно считать перегрев чугуна в широком интервале по температуре и времени, точную выдержку химического состава и возможность переплава не брикетированной чугунной стружки до 40% веса металлической завалки (тогда как в ДСП 3…5%), что снижает расход чушкового чугуна и лома. Сравним анализируемые печи по содержанию газов в металле (табл.3.1)

Таблица 3.1 – Содержание газов, см³/100 г

Плавильный агрегат	О	Н	N	Итого
Вагранка	1,7	2,7	6,2	10,6
Дуговая электропечь	1,1	2,0	6,6	9,7
Индукционная печь	1,1	2,3	3,7	7,1

Таким образом, получение высокопрочного чугуна в индукционной печи характеризуется высокими качественными и технико-экономическими показателями, поэтому получать ковкий чугун будем в индукционной тигельной печи.

3.2 Принцип действия печи

Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом в тепловую энергию. Электромагнитное поле создают индуктором, через который пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает меняющееся во времени переменное магнитное поле. Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора, поток вектора магнитной индукции которого пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Под его действием возникают токи проводимости. В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). В результате описанные превращения энергии дают возможность:

а) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам;

б) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте, в результате чего использование теплой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается.

3.3 Расчет параметров индукционной тигельной печи

3.3.1 Определение геометрических размеров

При проектировании индукционной тигельной печи необходимо:

а) рассчитать размеры тигля;

б) определить тепловые потери металла;

в) рассчитать параметры индуктора и магнитопровода;

г) определить требуемую мощность источника питания и КПД установки.

Исходными данными являются: назначение и емкость печи, длительность плавки, разливки и загрузки, а также особенности технологического процесса.

Расчетная схема тигельной печи представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.4 – Схема тигельной печи

Расчет тигельной печи начинаем с определения основных размеров тигля. Рассчитываем полезный объем тигля

, (3.1)

где М – емкость тигля, кг;

ρ_ж - плотность жидкого чугуна, кг/м³.

= 0,81 м³.

Внутренний диаметр тигля в сечении

, (3.2)

где К₁ – коэффициент, представляющий собой отношение высоты расплава к диаметру тигля в среднем сечении.

Коэффициент К₁ принимаем из диапазона

Принимаем К₁ = 1,40. Подставляем данные в формулу (3.2)

= 0,92 м.

Тогда высота расплава в тигле будет такой

h₂ = 1,40 · 0,92 = 1,30 м.

Толщину футеровки в среднем сечении тигля принимаем δ_т = 0,1 м.

Высота тигля с учетом мениска, условий загрузки шихты и других факторов

. (3.4)

= 1,56...1,82 м.

Принимаем высоту тигля 1,80 м. Внутренняя поверхность тигля делается конусной, угол между образующей и осью тигля устанавливается равным 2…5^о, тогда диаметр нижней части тигля принимаем 900 мм, а верхней 940 мм. Наружная поверхность тигля цилиндрическая и имеет изоляционный слой из листового асбеста толщиной δ_И = 0,01 м.

Наружный диаметр тигля

. (3.5)

= 1,12 м.

Внутренний диаметр индуктора

. (3.6)

= 1,14 м.

Расположение индуктора по высоте тигля зависит от частоты питающего тока. Минимальная частота – от внутреннего диаметра и агрегатного состояния загружаемого в печь материала. При плавке кусковой шихты минимальная частота определяется по формуле

, (3.7)

где ρ_ш – удельное сопротивление шихты, Ом*м;

d_ш – характерный поперечный размер среднего куска шихты, d_ш = 0,18 м.

= 49,4 Гц

Частоту питающего тока выбираем из стандартного ряда 50 Гц. В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора устанавливают ниже уровня металла для уменьшения мениска на поверхности жидкой ванны и исключения выброса металла из тигля из-за электродинамической циркуляции.

Высота индуктора без холостых витков

. (3.8)

= 1,43...1,56 м.

Принимаем высоту индуктора без холостых витков 1,50 м.