Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Основи теорії електричного нагріву
Тема: Типи електропечей
У ливарному виробництві застосовують велику кількість різноманітних електропечей: для плавки і витримки металу, термообробки та сушіння. Електропечі зручно класифікувати за способом перетворення електричної енергії в теплову іспособу підведення теплоти до нагрівається тілу. В електропечах нагрів здійснюється за методом опору, електричною дугою, індукційним методом і електронним променем.
Вітчизняна промисловість випускає велику кількість різноманітних електропечей. Позначення електропечей, що випускаються вітчизняною промисловістю, засноване на методі нагрівання з урахуванням ознак технологічного характеру. Так, для плавильні-них печей позначення складаються з трьох основних букв, декількох цифр і допоміжних букв.
Перша літера позначає спосіб нагріву: Д - дугового; І - індукційний; З - опором; Е - електронний.
Друга літера визначає метал, для плавки якого призначена піч: С - сталь; Ч - чавун; А - алюміній; М - мідь і її сплави і т. Д.
Третя буква визначає основний конструктивний ознака печі: для дугових відкритих печей П - поворотний звід; для індукційних від-критих печей Т - тигельний; для печей опору К - камерна і т. д.
Цифра після літерного позначення для плавильних електропечей позначає місткість в тоннах.
Приклади позначень. ИАТ-6 - індукційна піч для плавлення алюмінію місткістю 6 т; ІСТ-0,4 - індукційна сталеплавильна тигельна піч місткістю 0,4 т; ДСП-12 - дугова сталеплавильна піч з поворотним склепінням місткістю 12 т.
Дугові печі успішно застосовують для плавки металів, тому що висока концентрація енергії забезпечує швидке розплавлення металу. Промислові дугові печі працюють на змінному струмі, тому протягом кожного періоду в результаті зміни напрямку струму поверхню торця електрода і поверхню металу поперемінно стають то катодом, то анодом.
Перенесення струму в дузі в основному здійснюється рухомими електронами. При проходженні електронів газ, що знаходиться в дуговому проміжку, іонізується. Дугового електричний розряд підтримується за рахунок емісії електронів з катода, яка різко зростає при підвищенні температури. Електрони, що викидаються катодом, прискорюються під впливом прикладеного до дугового проміжку напруги, спрямовуються до анода і віддають йому свою кінетичну енергію, викликаючи його нагрівання і руйнування.
Таким чином, між графитизированного електродами і металом створюється стовп дуги, що складається з суміші нейтральних газових частинок електронів, іонів і атомів парів електрода і металу. В результаті в рідкій ванні виникає циркуляція металу, яка прискорює передачу теплоти від дуги до металу, сприяє перемішуванню металу і вирівнюванню в ньому температури за обсягом ванни.
Електрична дуга є інтенсивним високотемпературним джерелом випромінювання, температура дуги знаходиться в межах 4900-5800ºС. Електроди повинні мати високу електропровідність, підвищену температуру початку окислення на повітрі, високу механічну міцність і хорошу оброблюваність. Електроди виготовляють діаметром 100-710 мм і довжиною 1000-1800 мм. Нарощування виробляють за допомогою спеціальних графітірованних ніпелів з конічної або циліндричної різьбленням. Витрата електродів в середньому становить 5-8 кг / т.
Електронно-променеві печі працюють за принципом перетворення в теплоту енергії пучка електронів при взаємодії його з поверхнею тіла, що нагрівається. Електрони, емітовані катодом, розганяються електричним полем до великих швидкостей і направляються на нагрівається тіло. Створення та прискорення пучків електронів ефективно тільки в умовах високого вакууму.
Досягаючи поверхні металу, електрони впроваджуються в його кристалічну решітку або рідку структуру розплаву. Проходячи через метал, електрони взаємодіють як з кристалічною решіткою, так і з окремими атомами, молекулами і електронами. В результаті частина енергії електронного пучка переходить в теплову енергію, за рахунок якої температура металу підвищується. Таким чином, метал в області падіння електронного пучка розігрівається. Потім теплота поширюється в металі шляхом теплопровідності.
Електронно-плавильні установки (ЕПП) застосовують для отримання злитків особливо чистих металів і переплавки відходів цих металів.
Електронною гарматою називають пристрій, в якому пучок електронів, емітованих катодом, формуючись електричним і магнітним полями, прискорюється в електричному полі, виводиться через отвори в аноді і направляється на нагрівається метал.
Нагрівальні елементи опору
Нагрівальні елементи опору (нагрівачі) можуть металевими і керамічними. Металеві нагрівальні елементи опору застосовують в основному в тер-вів печах; вони представляють собою провідники, виконані зі спеціального сплаву, що має велике електричне опору-тивление і високий термін служби при температурах, відповідними-чих термічній обробці. Якщо на кінцях провідника створити різницю потенціалів, по провіднику потече електричний струм, сила якого буде залежати як від напруги на кінцях провідника, так і від електричного опору самого провідника, т. Е.
де I - струм в провіднику, А; V - напруга на кінцях провід-ника, В; R - електричний опір провідника, Ом.
При протіканні по провіднику електричного струму відбувається перетворення електричної енергії в теплову. Кількість електричної енергії, перетвореної в теплову за 1 с, можна виразити формулою Р = V * I, где_ Р - кількість енергії за 1 с або потужність, Вт.
Регулюючи напругу і опір провідника, можна домогтися виділення необхідної кількості теплової енергії. Напруга регулюють трансформатором. На термічних печах напруга може змінюватися від 5 до 380 В. Для цієї мети вико-товують пічні трансформатори, розраховані на передачу великої кількості електричної енергії. Опір провідника (нагрівача) змінюють, збільшуючи або зменшуючи його довжину і по-перечное розтин.
Електричний опір провідника може бути підраховано по формулі
# 961; -Питомий електроопір матеріалу провідника, Ом-м; l - довжина провідника, м; S - площа поперечного перерізу провідника, м 2.
Довговічність нагрівача залежить від температури, до якої він нагрівається. Чим краще умови відводу теплоти від нагрівача,
Мал. 9. Нагрівальні елементи
тим нижче його температура при інших рівних умовах. У тримаючи-ських печах температура нагрівача не повинна перевищувати, темпе-ратуру робочого простору печі більш ніж на 50-100 ° С. JB цьому випадку забезпечується рівномірний нагрів деталей. Якщо темпера-туру нагрівача буде набагато вище температури нагріву деталей, то виникне місцевий перегрів деталей, що призведе до шлюбу про-дукції. Довговічність нагрівача залежить також від поверхневої густини теплового потоку вимірюваної у Вт / м 2. Допустима по-поверхневі щільність теплового потоку для різної температури пічного простору різна.
Для забезпечення швидкого розігріву печі витрата електричної енергії приймається в 1,5 рази більше, ніж потрібно при нормаль- ної роботи печі.
Залежно від температури в робочому просторі печі застосовують відповідні матеріали нагрівачів: до 1100 ° С - переважно нагрівачі з хромонікелевих сплавів, для більш високих температур (до 1300 ° С) - керамічні нагрівачі. 'Більшість термічних печей мають нагрівачі з ні-хрому - сплаву нікелю і хрому, що виготовляються з дроту або стрічки. Нагрівач з дроту може бути виготовлений у вигляді спіралі або зигзага.
На рис. 9, а показаний нагрівач (праворуч) у вигляді спіралі і наведено приклади його розташування в печі. Термін служби нагрівача за-висить від розміщення його в печі. Доцільно нагрівачі 2 раз-сполучати на бічних стінах на поличках / або 5. Розкрита нагре-ватель віддає теплоту в робочий простір печі випромінюванням. Нагрівач 3 зводу поміщений в спеціальний фасонний цегла 4, що має канал з прорізом. Умови відведення теплоти від нагрівача в цьому випадку гірше. Нагрівач зводу з усіх боків оточений вогнетривким матеріалом, і тільки вузький проріз з'єднує канал з робочим простором печі. В таких умовах термін служби на-гревателя зводу може бути збільшений лише при зменшенні поверхневої густини теплового потоку на 25-35%. Подовий нагрівач 9 також працює в важких умовах. Від робочого простору його екранує подова плита 8. Подовий нагрівач повинен бути захищений від попадання на нього окалини та інших предметів. До на-гревателям, що знаходяться в печі, електрична енергія подається за спеціальними провідникам-висновків 6, виготовленим з жаро- міцної сталі. Вони мають поперечний переріз набагато більше січі-ня провідника-нагрівача, щоб уникнути нагріву їх протека-ющим в ланцюзі струмом. Виріб 7 розташовують на поді печі.
На рис. 9, б показаний нагрівач (праворуч) з дроту у вигляді зигзага і наведено приклади його розташування в печі. На стінах зигзаг-образні нагрівачі 4 підвішують на гачках 3, виготовлених з ніхрому. Нагрівачі / на зводі також підвішують на крюч-ках 2, протилежні кінці яких загинають, що перешкоджає їх випадання. Нагрівачі 5 розташовують на поді печі.
Площа розкриття у звивистих нагрівачів більше, вони добре віддають теплоту в пічне простір, що збільшує термін їх служби. Термін служби нагрівача залежить також від діа-метра дроту, з якої зроблена спіраль або зигзаг.
Нагрівачі з нихромовой стрічки виготовляють зазвичай у вигляді зигзага. Схема розміщення нагрівачів в печі така ж, як і зіг-загообразних дротяних нагрівачів.
Литі нагрівачі виготовляють спеціальним методом лиття в оболонкові форми. Такі нагрівачі застосовують в печах тоді, коли важко підібрати нагрівачі з прокату через неприпустимо високою поверхневою щільності теплового потоку і, таким чи-тельно, більш високої температури нагрівача. Пітие нагрівачі успішно застосовують при температурі пічного простору 950- 1150 ° С. Нагрівачі в місці вигину мають припливи, за допомогою яких їх кріплять в печах на спеціальних петлях і гачках.
Для обігріву сушив деяке поширення набули труб--чатие нагревателі..Трубчатий електронагрівач (ТЕН) складається з трубки з жароміцної або звичайної вуглецевої сталі, всередині якої вміщено спіраль, навита з ніхромового дроту. Спіраль розташована по осі трубки, а простір між спи-ралью і стінкою трубки заповнене порошком з окису магнію, що володіє хорошими електроізоляційними властивостями і високо-кой теплопровідністю. Довжина трубки може бути до 1 м. По кінцях трубки встановлюють ізолятори з розташованими в них виводи-дами, до яких приєднана спіраль. Трубки в зборі можна легко згинати і надавати їм будь-яку форму. Ці нагрівачі застосовують при робочій температурі до 600 ° С для нагрівання повітря, води, масла і т.д.
В основу розрахунку електричних нагрівачів покладені умови теплопередачі їх з навколишнім «простором. Термін служби нагрівача залежить від температури для кожної марки сталі або сплаву, з якого зроблений нагрівач, існує оптимальна температура. Перегрів нагрівача призводить до його пережогу.
Температура нагрівача залежить від поверхневої густини теплового потоку від нагрівача до навколишнього середовища. Чим нижче температура в робочому просторі печі, тим "більше може бути поверхнева щільність теплового потоку від нагрівача. Для нагрівачів з ніхрому рекомендується поверхнева щільність теплового потоку 1,5-10 4 Вт / м 2 при температурі лікуй 900" С; 1-10 4 - при 1000 ° С; 0,7-10 4-при 1100 ° С.
Розміри нагрівача визначають, встановивши тепловим розрахунком печі його необхідну потужність і задавшись допустимої поверх-ностной щільністю теплового потоку від нагрівача.
Розміри нагрівачів з круглого прокату
де d - діаметр дроту, м; # 961; - питомий електричний опору-тивление нагрівача, 10 -6 Ом-м; Р - потужність, кВт; V - напруга на нагрівачі, В; l - довжина нагрівача, м; q - поверхнева щільність теплового потоку, Вт / м 2.
Для стрічкових нагрівачів при відношенні сторін стрічки bla = т
На умови теплопередачі нагрівача впливають склад атмосфери печі і взаємне розташування нагрівачів.