Индукционная плавка металла (стр. 1 из 4)
Федеральное агентство по образованию
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра общей и теоретической физики
Реферат
на тему:
«Индукционная плавка металла»
Выполнил: студент гр.ФМ-223
Плотников С.А.
Проверил: доцент кафедры О.Т.Ф.
Герасимов В.К.
Челябинск 2008
Содержание2
Введение3
Явление электромагнитной индукции3
Опыты Фарадея3
Применение в Металлургии4
Выплавка стали в индукционных печах4
Индукционные печи промышленной частоты12
Плавка в печи с кислой футеровкой.13
Плавка в вакуумных индукционных печах.13
Заключение16
Используемая литература:17
Явление электромагнитной индукции
Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была блестяще решена в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникаетэлектрический ток, получивший название индукционного.
Рассмотрим классические опыты Фарадея, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции.
Опыт I. Если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение прели гальванометре (возникает индукционный ток); направления отклонений стрелки при выдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится. Для получения индукционного тока магнит можно оставлять неподвижным, тогда нужно относительно магнита передвигать соленоид.
Опыт ll. Концы одной из катушек, вставленных одна в другую, присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в моменты включения или выключения тока, в моменты его увеличения или уменьшены или при перемещении катушек друг относительно друга.Направления отклонившейся стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, сближении или удалении катушек.
Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае индукция магнитного поля вблизи проводника остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.
Опытным путем было также установлено, что значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяете лишь скоростью его изменения (в опытах Фарадея также доказывается, что отклонение стрелки гальванометра (сила тока) тем больше, чем больше скорость движения магнита, или скорость изменения силы тока, или скорость движения катушек).
Применение в Металлургии
Выплавка стали в индукционных печах
В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой спираль с несколькими витками из токопроводящего материала.Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток (рис. 1) наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают его нагрев и плавление.
| Рис.1Магнитные силовые линии в индукционной печи 1 |
Чтобы чрезмерно не увеличивать мощность питающего печь генератора в схему печи включают конденсаторы, компенсирующие индуктивное сопротивление индуктора. Как известно, наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока вызывает сдвиг фаз (величина силы тока отстает от величины напряжения), в результате чего снижается коэффициент мощности установки соs(ф). Емкость вызывает обратный сдвиг фаз; подбирая емкость конденсаторов, добиваются настройки установки в резонанс, когда угол сдвига фаз ф приближается к нулю, а соs ф к единице, Чем выше частота, тем меньше требуется емкость конденсаторной батареи.
Важной особенностью индукционных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых с одной стороны токами проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле.
Характер циркуляционных потоков показан на рис. 2. Положительная сторона этого явления состоит в том, что благодаря перемешиванию ускоряются плавление и выравнивание состава и температуры металла, отрицательная — в том, что поверхность металла; получается выпуклой и может оголяться, так как шлак стекает к стенкам тигля. Интенсивность перемешивания приблизительно пропорциональна квадрату ампервитков (1п)- и обратно пропорциональна частоте питающего тока.
Рис. 2.
Электродинамическая циркуляция
металла в тигле индукционной печи.
Еще одной особенностью индукционных печей является то, что плотность индуктируемых токов достигает максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к оси тигля («поверхностный эффект»). В этом поверхностном слое выделяется наибольшее количество тепла, за счет которого плавится шихта. Толщина слоя металла с большой плотностью индуктируемых токов обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.
Индукционные печи имеют следующие преимущества по сравнению с дуговыми:
1) отсутствуют высокотемпературные дуги, что уменьшает поглощение водорода и азота и угар металла при плавлении;
2)незначительный угар легирующих элементов при переплаве легированных отходов;
3) малые габариты печей, позволяющие поместить их в закрытые камеры и вести плавку в вакууме или в атмосфере инертного газа;
4) электродинамическое перемешивание, способствующее получению однородного по составу и температуре металла. Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки и низкая температура шлаков, которые нагреваются от металла; из-за холодных шлаков затруднено удаление фосфора и серы при плавке.
Индукционные печи делят на два типа:
1) питаемые током повышенной частоты;
2) питаемые током промышленной частоты (50 Гц).
В печах первого типа частота питающего тока обычно снижается; По мере роста емкости и диаметра тигля; малые (несколько килограмм и менее) печи питаются током с частотой от 50 до 1000 кГц,средние и крупные (емкостью до десятков тонн) токами с частотой |0,5—10 кГц.
1 Устройство индукционной печи.
Индукционная плавильная установка состоит из печи с механизмом наклона и питающего электрооборудования (генератора повышенной частоты, батареи конденсаторов, щита управления и на крупных печах — автоматического регулятора электрического режима). Емкость индукционных печей достигает 60 т. Основные элементы печи — каркас, индуктор и огнеупорный тигель, который иногда закрывают крышкой.
Рис.3.
 |
Индукционная печь
емкостью 60 кг.
1-каркас,
2-подовая плита,
3-индуктор,
4-изоляционный слой,
5-тигель,
6-абсоцемеитная плита,
7-сливной носок,
8-воротник,
9-гибкий токопровод,
10-деревянные брусья.
Каркас (кожух) печей небольшой емкости (<0,5 т) делают в форме прямоугольного параллелепипеда, используя асбоцемент, дерево, выполняя несущие ребра из уголков и полос немагнитной стали, дюралюминия. В местах соединения металлических элементов укладывают изоляционные прокладки для исключения возникновения кольцевых токов, Индуктор в таком каркасе крепят к верхней и нижней опорным асбоцементным плитам (рис. 3). В печах средней и большой емкости каркас выполняют из стали в виде сплошного кожуха цилиндрической формы (рис. 4) и иногда в виде «беличьей клетки», представляющей собой группу вертикальных стоек, приваренных к верхнему и нижнему опорным кольцам. Для уменьшения нагрева таких каркасов индуктируемыми токами и потерь с потоками рассеивания используют следующие решения:
а) каркас выполняют из немагнитной стали;
б) между каркасом из обычной стали и индуктором размещают магнитопровод из нескольких пакетов трансформаторной стали, располагаемых вдоль индуктора (рис. 4);
в) между индуктором и каркасом размещают замкнутый электромагнитный экран из металла с низким удельным сопротивлением (меди, алюминия).
В каркасе жестко крепят индуктор, подовую плиту, верхнюю керамику, пакеты магнитопровода. К передней части каркаса на уровне сливного носка прикрепляют две цапфы, что необходимо для поворота печи при сливе металла.
Рис.4 Индукционная печь емкостью 8 т.
1-индуктор,2-тигель,
3-подовая плита,