12-1 (Лекции)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВАОБЩИЕ СВЕДЕНИЯПрименение электрической энергии для нагревания и плавления тел началось с 1803 г.,когда была опубликована работа русского академика В.В. Петрова «О расплавлении исжигании металлов и многих других горючих тел, а также о превращении некоторых оксидов вметаллы посредством гальвано-вольтовой жидкости».Следующим этапом в применении электроэнергии для термических процессов былоустановление в 1843 г. русским академиком Э.Х.

Ленцем и английским ученым Джоулемэквивалента между тепловой и электрической энергиями:Q = 0,24 ⋅ I 2 ⋅ R ⋅ τ = 0,24 ⋅ I ⋅ E ⋅ τ ⋅ 10 −3 ,где Q — количество тепла, выделенное в проводнике, Дж;I —сила тока, А;R — сопротивление проводника, Ом;Е — напряжение, Вт;τ — время, с.Эквивалент для перехода от электрической энергии к тепловой в технических единицахравен 860 ккал/кВтч.Еще до первой мировой войны 1914-1918 гг. русские инженеры создали рядпромышленных электропечей (А.Н. Лодыгин, В.М. Ижевский, Стабинский, Штейнберг,Грамолин и др.). Однако в условиях царской России при совершенно незначительнойвыработке электроэнергии не было возможностей для широкого промышленного развитияразличных методов электронагрева.Только после Великой Октябрьской социалистической революции электрификация ииндустриализация нашей станы создали предпосылки для широкого внедрения различныхэлектротермических процессов в промышленность.Быстрое развитие этой новой области техники было обеспечено работами ряда ученых иинженеров.

Так, академик В.Т. Вологдин создал советскую школу в области нагрева токамиповышенной и высокой частоты, доктор физических наук Н.М. Радыгин и инженер В.А.Лапшинразработалитеориюконтактногоэлектронагреваисоздаликонструкциинагревательных установок.Большиеработывобластиразвитиятеорииэлектротермическихиэлек-тронагревательных установок провели С.Н. Тельный, М.С.

Максименко, М.Г. Лозинский, Н.В.Окороков, А.Д. Свенчанский и др.1Внастоящеевремяпромышленностьрасполагаетсамымиразнообразнымиэлектротермическими устройствами, использующимися в различных отраслях техники,единичной мощностью от нескольких ватт до десятков тысяч киловатт.По способу превращения электроэнергии в тепловую все электротермическиеустановки можно разделить на две группы:1. электропечи сопротивления;2. дуговые электропечи.В установках первой группы электроэнергия превращается в тепловую в результатесопротивления, оказываемого телом при прохождении через него электрического тока.В установках второй группы превращение электроэнергии в тепловую совершается вэлектрической дуге (для нагрева дуговые печи в настоящее время не применяют, а используюттолько как плавильные)Рассмотрим подробнее электропечи первой группы.Электропечи сопротивления можно разделить на три вида.1.

Печи прямого нагрева (контактный электронагрев). Нагреваемое тело является частьюэлектрической цепи и в нем выделяется тепло по закону Джоуля-Ленца.2. Электропечи косвенного нагрева. Электрическая энергия превращается в тепловую вспециальных элементах сопротивления (резисторах), которые могут быть металлическими,керамическими или жидкими, в виде расплавленной соли.

От элементов сопротивления теплопередается нагреваемому материалу излучением и конвекцией.3. Индукционные электропечи и нагревательные устройства. Нагреваемый металлпопадает в переменное электромагнитное поле и в нем индуктируется электрический ток такойсилы, что металл нагревается или даже плавится.Применениеэлектронагревательныхустройстввсехэтихвидоввнашейпромышленности расширяется. Их используют как для нагрева заготовок под ковку, штамповкуи прокатку, так и для нагрева заготовок и деталей под термообработку.Преимуществам электронагрева по сравнению с пламенным нагревом:1) сокращение продолжительности нагрева и уменьшение в связи с этим угара металла;2) улучшение качества (равномерности) нагрева;3) для контактных и индукционных установок годность к действию в любой момент(отсутствие затрат энергии на разогрев печи);4)возможностьпростогоиточногорегулированиятемпературы(простотаавтоматического регулирования температуры);5) меньшие габариты по сравнению с пламенными печами;6) улучшение условий труда обслуживающего персонала;27) удобство включения нагревательного устройства в автоматическую линию.Электронагревательныеустановкиимеютиотрицательныехарактеристикипосравнению с пламенными печами:1) более высокие капитальные затраты на изготовление установок;2) высокая стоимость электроэнергии по сравнению с жидким и особенно газообразнымтопливом;3) потребность в больших электрических мощностях.Экономические расчеты по применению электронагрева под ковку, штамповку,приведенные в литературе, очень разноречивы.В литературе имеются и другие данные, согласно которым стоимость индукционногоэлектронагрева значительно выше стоимости нагрева в пламенных газовых и мазутных печах.Поэтому при решении вопроса об экономичности применения электронагрева необходимосделать расчет себестоимости нагрева различными способами с учетом всех местныхособенностей, а также правильно учесть экономию или перерасход на инструменте ивспомогательных материалах.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ ПРЯМОГО НАГРЕВАК электронагревательным устройствам этого типа относятся, прежде всего, установкиконтактного нагрева.

Нагреваемую заготовку включают во вторичную цепь трансформатора,через которую проходит ток большой силы, поэтому она быстро нагревается (рис. 1).Преимуществами являются:1) быстрый и равномерный нагрев, т.к. тепло выделяется по всему сечению заготовки;2) низкий удельный расход энергии (высокий КПД);3) небольшой угар металла.Рис. 1. Схема установки контактного нагрева:1 — электрическая сеть; 2 — трансформатор;3 — зажимы-контакты; 4 — нагреваемая заготовкаНедостатки:1) заготовка должна быть одинакового сечения по длине, иначе места с меньшимсечением будут нагреваться значительно быстрее, чем другие места заготовок.32) сечение заготовки должно быть не очень велико (60…70 мм), иначе намногоувеличивается время нагрева, а значит потери в окружающее пространство и КПД резкоснижается.3) необходим очень хороший контакт концов заготовки с зажимами, подающими ток.Слабый контакт — увеличивает сопротивление и происходит перегрев.

Слишком сильныйконтакт — часть тепла от заготовки отводится контактом, и температура заготовки подконтактом будет ниже, чем остальной части заготовки.КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВОККонструкции промышленных установок контактного нагрева для нагрева заготовок подгибку, ковку и штамповку наиболее тщательно были разработаны на Горьковском заводеинженерами В.А. Лапшиным и Е.И.

Натанзоном.На рис. 2 показана схема одной из таких установок типа К-13, а на рис. 3 — общий видустановки АК-1.Рис. 2. Схема работы электронагревательнойустановки К-13:1 — нагреваемая деталь; 2 — каналы водяногоохлаждения; 3 — силовой трансформатор; 4 —пневмоэлектрокнопка; 5 — переключатель ступенейнапряжения; 6 — фотопирометр; 7 — кнопка«пуск»; 8 — трансформатор тока; 9 — релеблокировки; 10 — контактор; 11 — реле тока; 12 —электропневматический клапан; 13 — фотоэлемент;14 — цилиндры зажимных головокЗажим заготовок осуществляют пневматическими цилиндрами, причем если наустановке К-13 сила давления на контакты равна 1800 кГ, то на установке ВК-1 - 3000 кГ.Заготовку можно зажимать и при помощи пружинного устройства с педалью.Технические данные установки АК-1 следующие: мощность 150 кВт; первичноенапряжение 380 В; вторичное напряжение 8,1...

13,6 В; диаметр нагреваемых заготовок20...42 мм; длина 400...650 мм; производительность 60...80 шт/ч; сила, действующая наконтакты, 3000 кГ; КПД установки 74,5%. Габариты установки АК-1: длина 2150 мм, ширина1100 мм, высота 1650 мм, вес 2500 кг.Время нагрева заготовок очень незначительно и во избежание перегрева заготовокприменяют автоматический регулятор на базе фотопирометра, выключающего ток при4достижениинаповерхностизаготовкиопределеннойтемпературы.Применяемаяпродолжительность нагрева в зависимости от диаметра заготовки следующая:d, мм202530354045506070τ, с1016223038475786120Примечание: время нагрева при скорости выделения энергии 20,9 кДж/с на 0,1 м длинызаготовки.Рис.

3. Общий вид установки контактного нагревателя АК-1:1 — каркас; 2 — трансформатор; 3 — витки вторичной обработки; 4 — гибкие медные шины;5 — кронштейн передней головки; 6 — пружинные упоры; 7 и 9 — передняя и задняя контактныеголовки; 8 — головка фотопирометра; 10 — панель с электрической аппаратурой; 11 — контактор; 12 —электропневматические пластины; 13 — сливная воронка; 14 — переключатель степеней напряжения; 15— перемычка переключателя; 16 — сигнальные лампы; 17 — электросчетчик; 18 — манометр; 19 —амперметр; 20 — механизм загрузки заготовок; 21 — кнопочная панельУдельный расход электроэнергии при нагреве заготовок до 1200 °С ≈ 325 кВтч на 1 тнагретого металла, что соответствует КПД ≈ 75%.Другим типом электропечей прямого нагрева являются установки для нагрева концазаготовки в электроплите.

Схема такой установки показана на рис. 4. К сосуду с электролитом(раствором поташа или едкого калия), выполняющему роль анода, подводят постоянный ток.Заготовку, которая является катодом, соединяют с отрицательным полюсом. При опусканиизаготовки в электролит и при пропускании тока начинается электролиз и на катоде выделяетсяиз раствора газ. Ток, пробивая оболочку газа, выделяет тепло, и конец заготовки, опущенный вэлектролит, быстро нагревается. Установки такого типа нагревают небольшие заготовкидиаметром до 35.. .40 мм, КПД невысок.5Рис. 26.4. Схема установки электролитного нагрева:1 — электрическая сеть;2 — сосуд с электролитом;3 — нагреваемые заготовкиОни могут работать и на переменном токе, но КПД их в этом случае еще ниже.Физико-технический институт Белорусской академии наук выпускает автоматыэлектрического нагрева, которые могут быть использованы при обработке металлов давлением.Краткая характеристика такого автомата следующая: размеры нагреваемых заготовокпод объемную штамповку и выдавливание d = 10...36 мм, l = 10...60 мм, под высадку l= 5...

12мм, lнагр = 5...60 мм.Контролируемый диапазон температур - 800... 1500 °С. Напряжение рабочего тока:постоянного - регулируемое 65...300 В, переменного - не менее 200 В. КПД нагрева - не выше0,38 для постоянного тока и 0,14 для переменного. Габаритные размеры: длина 1050 мм,ширина 920 мм, высота 2050 мм.ЭЛЕКТРОПЕЧИ КОСВЕННОГО НАГРЕВАЭлектропечи этого типа в настоящее время очень широко распространены не только приобработке металлов давлением и термообработке, но также в других отраслях производства: вхимической и пищевой промышленности, при производстве строительных материалов и стекла,в быту и т.п.Основные преимущества:1)возможностьравномерногонагреваприсоответствующемрасположениинагревателей, применении нагрева в солях и устройстве циркуляции печной атмосферы;2) удобство и простота как ручного, так и автоматического регулирования температуры;3) компактность, чистота и создание культурных условий для обслуживающегоперсонала;4) возможность и удобство применения защитных атмосфер и вакуума.Недостатки:1) необходимость затраты энергии на разогрев печи; на доведение рабочего пространствадо требуемой температуры;2) обычно более низкий КПД, чем КПД установок контактного или индукционногонагрева (кроме установок электролитного нагрева);63) необходимость периодической смены нагревателей (элементов сопротивления и др.).Вметаллообрабатывающейпромышленностиэлектропечикосвенногонагреваприменяют для сушки небольших по размерам, но выполненных с большой точностьюстержней при производстве стального, чугунного и цветного литья, для термообработки мелкихи средних деталей, для нагрева цветных металлов и сплавов под обработку давлением, дляплавления цветных сплавов на алюминиевой и магниевой основе, для нагрева подтермообработку и обработку давлением в вакууме и в защитных атмосферах.Типыиконструкциипечейсэлементамисопротивлениямногочисленныиразнообразны.Можно разделим их на группы по температуре нагрева:1) низкотемпературные (tнагр < 600…650°С);2) среднетемпературные (tнагр = 600...650 — 1100...1150 °С)3) высокотемпературные (tнагр > 1150 °С).Каждая из этих групп печей может быть разделена на печи:1) с периодической загрузкой (камерные, шахтные и др.)2) печи с непрерывной загрузкой (проходные - толкательные, конвейерные и др.).В низкотемпературных печах преобладает теплопередача конвекцией, поэтому ихоборудуют обычно искусственной циркуляцией атмосферы печи.