Разработка оборудования и технологии внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки

Нагревательное устройство – это устройство, которое при сгорании топлива передает тепловую энергию нагреваемому телу, а именно металлоизделию. Тело нагревается за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Нагревательные устройства делятся на два вида: топливные и электрические. Топливные следственно работают за счет сгорания топлива: газа или мазута. Электрические нагревательные устройства работают за счет электрического тока высокой частоты, вырабатываемым электродвигателем. Электрические нагреватели называются – индукторы. Нагрев металлоизделия происходит за счет вихревых токов возникающих между нагреваемым изделием и медных трубках. Такой метод нагрева называется – индукционным.
Нагревательные устройства используются для нагрева заготовок перед обработкой давлением: прокаткой, ковкой и штамповкой.
На данный момент в прокатном производстве широко используются нагревательные газовые печи. Это связанно с тем, что газ эффективнее сгорает, чем мазут. Поэтому газовое топливо на данный момент выше ценится, чем мазутное. Газовые печи нагревают от 100-200 штук в час при максимальной скорости выдачи, и при непрерывном процессе прокатки.
В штамповочном и ковочном производстве широкое применении получил индукционный нагрев. Это вызвано прежде всего тем, что нужно нагревать металлоизделия небольших габаритов. Для этого индуктор экономически выгоден. Максимальная скорость нагрева в индукторе 800°С/с. Индукционный нагрев встречается, и в листовом прокатном производстве. Например, существует периодический индуктор Росса предназначенный для нагрева слябов. Это говорит о том, что в дальнейшем топливный нагрев будет вытеснен индукционным. С точки зрения энергетики трудно ожидать полную замену в металлургическом производстве газового нагрева индукционным нагревом. На данный момент более перспективно комбинированное использование газового и индукционного нагрева. В будущем электроэнергия станет наиболее перспективным энергоносителем для промышленного нагрева. Стоимость природных энергоресурсов постоянно возрастает, а стоимость производства электричества снижается, что создает хорошую основу для постепенного вытеснения в металлургическом производстве топливного нагрева индукционным [1].

1 Аналитический обзор литературы и патентное исследование 13
1.1 Основы индукционного нагрева 13
1.1.1 Физические процессы при индукционно нагреве 14
1.1.2 Классификация индукционных нагревателей по режиму работы 17
1.1.3 Устройство индукционной установки 17
1.1.5 Конденсаторная батарея 22
1.1.6 Трансформаторы и токопроводы высокой частоты 23
1.1.6.1 Автотрансформаторы 24
1.1.6.2 Понижающий трансформатор 25
1.1.7 Измерительные приборы 26
1.1.8 Источник электропитания для индукционной установки 28
1.1.9 Электрическая и тепловая изоляция индуктора 30
1.1.9.1 Электрическая изоляция 31
1.1.9.2 Тепловая изоляция индуктора 34
1.1.10 Механизмы транспортировки заготовки 39
1.1.10.1 Транспортировочные рольганги 39
1.1.10.2 Печные рольганги 43
1.2 Патентное исследование 47
2 Цель, задачи проектирования, техническое задание 55
3 Расчет и разработка конструкции установки внепечного нагрева блюмов перед прокаткой 57
3.1 Тепловой расчет индукционной установки 62
3.2 Электрический расчет индуктора 64
3.3 Расчет охлаждения индуктора 81
4 Разработка технологического процесса внепечного нагрева блюмов перед прокаткой 93
5 Исследование равномерности микротвердости по сечению закаленных образцов 98
6 Безопасность технологического процесса индукционного нагрева 110
6.1 Декомпозиция опасных и вредных производственных факторов 110
6.2 Инженерные решения для устранения или снижения воздействий опасных и вредных факторов на рабочий персонал 112
6.2.1 Расчет заземления 112
6.2.2 Расчет ограждения 115
6.2.3 Расчет вытяжной вентиляции 117
6.2.4 Расчет искусственного освещения 118
6.3 Рекомендации по снижению воздействий опасных и вредных факторов на участке производства 120
7 Экологическая экспертиза установки внепечного нагрева 123
7.1 Расчет отходов нагрева 124
7.2 Расчет электромагнитного загрязнения окружающей среды 126
7.3 Рекомендации по снижению воздействий опасных и вредных факторов на участке производства 128
8 Технико-экономические показатели установки внепечного нагрева 130
8. 1 Расчет стоимости затрачиваемой энергии на нагрев блюмов 133
8.2 Расчет окалинообразования при индукционном нагреве 134
Заключение 136
Список используемой литературы 138
Приложение А 144
Приложение Б 145

Данная выпускная квалификационная работа включает 128 стр. текста, 46 рисунков, 21 таблицу, использовались источники из 53 наименований и приложения.

ИНДУКТОР, БЛЮМ, ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ, ЖАРОСТОЙКАЯ ФУТЕРОВКА, ВОДООХЛАЖДАЕМЫЙ РОЛЬГАНГ, ПЕЧНОЙ РОЛЬГАНГ

Рассмотрены вопросы разработки оборудования и технологии внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Приведены расчеты на определение основных электрофизических параметров индукционного нагрева, а также габаритных размеров соленоида индуктора. Разработана технология внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Проведено исследование равномерности микротвердости по сечению образцов нагретых индукционным и электротермическим способом. Были проанализированы вопросы наладки производства, охраны труда, безопасной жизнедеятельности, экологической экспертизы. Разработаны рекомендации по применению полученных в ходе разработки и исследования результатов.

Выпускная квалификационная работа направлена на разработку оборудования и технологии внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Целью работы является разработка оборудования и технологии внепечного нагрева блюмов. Разработана конструкция установки внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Разработана технология внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Представлена методика расчета технико-экономических показателей внепечного нагрева блюмов перед процессом прокатки. Пояснительная записка сделана на 139 листах, содержит 46 рисунков, 21 таблицу, 8 чертежей и схем (презентация MSPowerPoint – __ слайдов), в качестве аналитического материала использовались 53 источника.

Энергосберегающие технологии индукционного нагрева / В.Б. Демилович [и др.] // Энергосбережение. – 2010. - № 98. - С. 52-56.
2. Трусова, И.А. Совершенствование технологий тепловой обработки металла на основе индукционного нагрева. Сообщение 1. Анализ перспективных направлений использования индукционного нагрева / И.А. Трусова, Менделев Д.В., Ратников П.Э. // Литье и металлургия. - 2012. - № 66. - С. 52-55.
3. Глуханов, Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева: учеб. / Н.П. Глуханов. - 3-е изд. - М. - Л.: Машиностроение, 1965. - 80 с.
4.Электро-технологические промышленные установки: учеб. / И.П. Евтюкова [и др.] . - М.: Энергоиздат, 1982. - 400 с.
5. Слухоцкий, А.Е. Индукторы: учеб. / А.Е. Слухоцкий. - 5-е изд. - М: Машиностроение, 1983. - 69 с.
6. Кудрин, В.А. Внепечная обработка чугуна и стали: учеб. / В.А. Кудрин. - М.: Металлургия, 1992. - 336 с.
7. Бодажков, В.А. Объемный индукционный нагрев: учеб. / В.А, Бодажков. - СПб.: Политехника, 1992. - 72 с.
8. Поволоцкий, Д.Я. Внепечная обработка стали: учеб. / Д.Я. Поволоцкий, В.А. Кудрин, А.Ф. Вишкарев. - М.: «МИСИС», 1995. - 256 с.
9. Сасса В.С. Футеровка индукционных печей: учеб. / В.С. Сасса. - М.: Металлургия, 1989. - 231 с.
10. Матюхин, В.И. Конструкция и расчет индукционных тигельных печей: учеб. / В.И. Матюхин. - Екатеринбург, 2003. - 61 с.
11. Королев, А.А. Механическое оборудование прокатных цехов: учеб. / А.А. Королев. - М.: Металлурги, 1965. - 512 с.
12. Пат. 77867 Российская Федерация, МПК7 C21D1/10. Индуктор для нагрева деталей токами высокой частоты / Котельников В.И., Беляков В.В., Гоева В.В., Краснов А.О., Вольнов О.И., заявитель и патентообладатель ГОУВПО НГТУ. - №2216598; заявл. 20.11.2003; опубл. 21.12.2004, Бюл. № 2. – 6 с.
13. Пат. 1779265 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36. Индуктор для нагрева поверхностей изделий токами высокой частоты / Доронин В.Т.; заявитель и патентообладатель Алтайский ГТУ им. И.И. Ползунова. - №2216598; заявл. 22.04.2002; опубл. 20.11.2003. Бюл. № 5. – 3 с.
14. Пат. № 2112328 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36, G05D23/13. Способ штучного нагрева заготовок из феромагнитного материала токами высокой частоты / Лачин В.И., Лапеев С.М., Савин М.М; заявитель и патентообладатель Новочеркасский ГТУ. - № 2112328; заявл. 13.05.1993; опубл. 13.02.1994. Бюл. № 3. – 5 с.
15. Пат. 2150517 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10. Устройство для индукционного нагрева концов длинномерных изделий и их подачи к технологическим позициям / Викулин В.В., Волгунин А.А., Горшков В.И., Мишин А.Ф., Романченко А.Ф., Сулин А.Н., Темянко Л.С.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "ГАЗ". - № 2150517; заявл. 10.01.1999; опубл. 10.06.2000. Бюл. № 3. – 4 с.
16. Пат. № 35496 Российская Федерация, МПК8 H05B6/36. Способ индукционного нагрева длинномерных изделий / Демидович В.Б., Оленин В.А., Чмиленко Ф.В.; заявитель и патентообладатель ФГУП ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина. - № 35496; заявл. 20.11.2006; опубл. 10.09. 2008. Бюл. № 11. – 7 с.
17. Пат. № 2312154 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36. Кольцевой индуктор / Горюшин Г.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина. - № 2312154; заявл. 01.02.2006; опубл. 10.12.2007. Бюл. № 2. – 3 с.
18. Пат. № 2202748 Российская Федерация, МПК8 F27D3/02. Ролик печного рольганга / Филатов А.А., Лях А.П., Шадрин А.П., Кондратьев В.К., Сидоренко С.А., Лях П.А.; заявитель и патентообладатель Лях А.П. - № 2202748; заявл. 11.06.2002; опубл. 20.04.2003. Бюл. № 22. – 4 с.
19. Пат. № 2267069 Российская Федерация, МПК8 F27D3/02, F27В9/30. Печной ролик / Галкин М.П., Корж С.Г., Мельников В.Е., Никитин Г.С., Никитин И.Г.; заявитель и патентообладатель Никитин И.Г. - № 2267069; заявл. 06.05.2003; опубл. 27.12.2005. Бюл. № 15. – 6 с.
20. Пат. № 2012513 Российская Федерация, МПК8 B65G13/075. Устройство для останова груза / Легков В.М.; заявитель и патентообладатель Легков В.М. - № 2012513; заявл. 29.04.1991; опубл. 15.05.1994; Бюл. № 4. – 6 с.
21. Пат. № 2007681 Российская Федерация, МПК8 B65G13/073, F27D3/04. Рольганг-ускоритель / Рогов В.А.; заявитель и патентообладатель РУДН. - № 2007681; заявл. 08.01.1991; опубл. 15.02.1994; Бюл. № 9. – 5 с.
22. Пат. № 2351658 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, B21B1/18, C21D8/06. Способ нагрева заготовок на сортовых и проволочных станах / Носов А.Д., Строгонов К.В., Бирюков А.В.; заявитель и патентообладатель Открытое Акционерное Общество "Магнитогорский металлургический комбинат". - № 2351658; заявл. 20.05.2010; опубл. 10.10.2011. Бюл. № 10. – 3 с.
23. Пат. № 2418075 Japan, МПК8 C21D1/10, Н05B6/44, C21D8/42. Система индукционного нагрева (варианты) и способ индукционного нагрева металлического листа / Хирота Ёсиаки.; заявитель и патентообладатель НИППОН СТИЛ КОРПОРЕЙШН. - № 2418075; заявл. 16.04.2008; опубл. 10.05.2011. Бюл. № 5. – 10 с.
24. Пат. № 2312154 Российская Федерация, МПК8 H05B6/08. Устройство для индукционного нагрева, обеспечивающее заданный температурный профиль / Земан С.К., Бабенко П.Г.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Магнит". - № 2312154; заявл. 16.07.2001; опубл. 10.10.2003. Бюл. № 12. – 7 с.
25. Пат. № 2024625 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Установка для индукционного нагрева заготовок / Куропаткина М.Н., Усакин С.И., Купин И.В.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский технологический институт". - № 2024625; заявл. 21.03.1990; опубл. 27.10.2004. Бюл. № 10. – 6 с.
26. Пат. № 2239202 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Устройство для определения скорости индукционного нагрева материалов / Брусенцов Н.А., Полянский В.А., Брусенцова Т.Н., Шумаков Л.И.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский технологический институт".- № 2239202; заявл. 25.03.2002; опубл. 15.12.1994; Бюл. № 8. – 10 с.
27. Пат. № 2110586 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Установка для индукционного нагрева заготовок / Темянко Л.С., Мишин А.Ф., Сорокин И.В.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно- исследовательский технологический институт". - № 2110586; заявл. 21.03.1990; опубл. 15.12.1994; Бюл. № 7. – 10 с.
28. ГОСТ 2.703-2011 Правила выполнения кинематических схем. - Введ. 2012-01-01-М.: Стандартинформ, 2011. - 12 с.
29. ГОСТ 2.770-68* Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики. - Введ. 1971-01-01- М.: Изд-во стандартов, 1981. - 16 с.
30. ГОСТ 2.78196 Обозначения условные графические. Аппараты гидравлические и пневматические, устройства управления и приборы контрольно-измерительные. - Введ. 1998-01-01- М.: Изд-во стандартов,1996. - 18 с.
31. Волжанова, О.А. Схемы гидравлические принципиальные: учеб.-метод. пособие / О.А. Волжанова. - Ижевск.: «Удмуртский университет», 2012. - 40 с.
32. Мастрюков, Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей.: учеб. / Б.С. Мастрюков. - М.:Металлургия, 1978. - 272 с.
33. Простяков, А.А. Индукционные нагревательные установки; учеб. / А.А. Простяков. - М.:Энергия, 1970 - 120 с.
34. Оборудование для индукционно-термической обработки малогабаритных титановых изделий / А.А. Фомин [и др.] // Индукционный нагрев. - 2013. - №2. - С. 44-47.
35. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - Введ. 1977-01-01-М.: Изд-во стандартов, 1993. - 35 с.
36. ГОСТ 12.0.002-2014 - Система стандартов безопасности труда. Термины и определения. - Введ. 2016-06-01- М.: Изд-во стандартов, 2016. - 39 с.
37. ГОСТ 50014.3-92 Частные требования к электротермическим устройствам индукционного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам. - 1993-01-01-М.: Изд-во стандартов, 1994. - 26 с.
38. ГОСТ 12.2.062-81 Оборудование производственное. Ограждения защитные. - Введ. 1987-07-01- М.: Изд-во стандартов, 1983. - 7 с.
39. ВСН 196-83 (Минтрансстрой) Отраслевые нормы проектирования искусственного освещения основных цехов промышленных предприятий Минтрансстроя. - Введ. 1984-01-01- Минтрансстрой, 1983. - 30 с.
40. СНиП 23-05-2010 Естественное и искусственное освещение. - Введ. 2011- М.: Изд-во стандартов, 2011-25 с.
41. ПБ 10-382-00 Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. - Введ. 1999-12-27- М.: Изд-во стандартов, 2000-45 с.
42. ГОСТ 12.4.275-2014 Средства индивидуальной защиты органов слуха. - Введ. 2015-12-01- М.: Изд-во стандартов, 2015-60 с.
43. ГОСТ 12.1.030-2001 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. - Введ. 1982-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1981. – 24 с. : ил.
44. ГОСТ 12.1.038-82 Электробезопасность. - Введ. 1983-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 9 с.
45. ГОСТ 50014.3-92 Частные требования к электротермическим устройствам индукционного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам. - Введ. 1993-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1994. - 55 с.
46. ГОСТ 12.2.003-91 Оборудование производственное. Общие требования безопасности. - Введ. 1992-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. - 16 с.
47. ГОСТ 12.4.123-83 ССБТ. Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. Общие технические требования. - Введ. 1984-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 5 с.
48. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенически требования к воздуху рабочей зоны (с Изменением N 1) - Введ. 1989-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 50 с.
49. СанПин 2.2.4.1191-03. О введении в действие санитарных правил и нормативов. - Введ. 2003-02-19
50. ГОСТ Р 12.4.292-2013 ССБТ. Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Общие технические требования. - Введ. 2014-12-02. - М.: Изд-во стандартов, 2014 - 8 с.
51. ГОСТ 618-2014 Фольга алюминиевая для технических целей. Технические условия. - Введ. 2016-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2016 - 10 с.
52. ГОСТ Р 54098-2010. Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения. – Введ. 2012–01–01. – М. : Изд-во стандартов, 2010. – 36 с.
53. Федюкин, В. К. Методы оценки и управления качеством промышленной продукции : учеб. / В. К. Федюкин. – М. : Информ. Изд. Дом «Филинъ», 2000. – 328 с.