Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
1.1.3 Классификация электротехнологических установок 16 Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, в результате которых происходит изменение вещества, называют электротехнологическими. Основные группы электротехнологических установок общепромышленного назначения представлены на блок-схеме (рис. 1.10). Рис. 1.10. Основные группы электротехнологических установок общепромышленного назначения ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются в промышленности для термообработки металлов под пластическую деформацию, закалку, плавления, нагрева диэлектриков; в сельском хозяйстве для обогрева помещений различного технологического назначения; в быту (бытовые нагревательные приборы). ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются в промышленности при электролизе расплавов и растворов, для нанесения защитных и декоративных покрытий, элекро-химико-механической обработки изделий в электролитах. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются в промышленности для ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал, магнито-импульсной обработки металлов. 17 ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются для разделения сыпучих материалов и эмульсий, очистки сточных вод, электроокраски, электроэрозионной обработки металлов. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ - установки, представляющие совокупность различного рода воздействий, в частности перенос энергии за счет электромагнитного поля. 1.1.4 Электротермические установки Одной из наиболее распространенных групп электротехнологических установок общепромышленного назначения является группа электротермических установок. Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя. Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств - существенное снижение загрязнения окружающей среды; - получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива; - создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков; - достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве; - строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии; - гибкость в управлении потоками энергии; - возможность нагрева материалов изделий в газовых средах любого химического состава и вакууме; - выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе. Использование электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить количество обслуживающего персонала. Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической эффективности. Вся литература и информация об электронагреве подбирается и учитывается по международной системе - универсальная десятичная классификация (УДК) [17]. Каждому понятию присваивается индекс УДК, например электропечи сопротивления - УДК 621.365.3; индукционные печи - УДК 621.365.5; 18 вакуумные индукционные печи - УДК 621.365.55 - 982. 1.1.4.1 Классификация электротермического оборудования Понятие «электротермические установки» характеризует электротермическое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование. Электротермическое оборудование (ЭТО) – это оборудование, предназначенное для технологического процесса тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя. Классификация ЭТО показана на рис. 1.11. Рис. 1.11. Классификация электротермического оборудования Отличительной особенностью электрической печи (электропечи) является преобразование электрической энергии в тепловую и наличие нагревательной камеры, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие «электропечь» может охватывать как собственно печь, так и в некоторых случаях печь со специальным оборудованием, входящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный тепловой режим. Электротермические устройства - оборудование без нагревательной камеры. 19 Совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и другого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.) называется электротермическими агрегатами. Классификация электротермического оборудования по методу нагрева представлена на рис. 1.12 [12 - 15]. Рис. 1.12. Классификация электротермического оборудования по методу нагрева В ЭТО сопротивления [12, 18, 19, 20, 23, 25] происходит выделение теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока. На рис. 1.13 приведены схемы нагрева сопротивлением. Нагрев сопротивлением основан на законе Джоуля - Ленца, по которому при протекании тока в проводнике выделяется тепло, пропорциональное его электрическому сопротивлению, квадрату тока и времени прохождения тока. Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к нагреваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным. 20 При косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и теплопроводностью. При высоких температурах определяющее значение имеет нагрев излучением. В нагреве излучением выделяется инфракрасный нагрев, основанный на подборе спектрального состава излучения с учетом свойств материалов избирательно поглощать или пропускать его. Рис. 1.13. Схемы нагрева сопротивлением а - прямой; б - косвенный; в - конвекцией с калорифером; г - электродный в жидкой среде; д - в жидкой среде с внешним обогревом; е - в псевдокипящем слое, ж - электрошлаковый: 1 - контактная система; 2 - нагреваемое тело; 3 - нагреватель; 4 - футеровка; 5 - рабочее пространство; 6 - вентилятор; 7 - калорифер; 8 - электрод; 9 - жидкая среда; 10 - мелкие частицы; 11 - решетка; 12 - расходуемый электрод; 13 - слиток; 14 - шлаковая ванна; 15 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 16 - жидкая металлическая ванна; 17 - поддон Вид теплопередачи: сплошные стрелки - излучением; пунктирные - конвекцией; штрих-пунктирные – теплопроводностью Как показано на рис. 1.14 [4, 12, 28], падающий на полупрозрачное тело поток излучения в общем случае разделяется на три составляющие: 21 отраженный, пропущенный и поглощенный потоки. Первые две рассеиваются в пространстве, третья превращается в тепловую энергию. Соотношение между этими составляющими зависит от спектра излучения нагревателя и свойств нагреваемого тела. Подбор спектра нагревателя, соответствующего характеристикам нагреваемого материала, позволяет получать желаемые технологические результаты. В дуговом ЭТО [3, 12, 25 - 27] происходит выделение теплоты в электрической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами. На рис. 1.15 представлены схемы дугового нагрева. В индукционном ЭТО [10 - 12, 29 - 31] происходит передача электроэнергии нагреваемому телу, помещенному в переменное электрическое поле, и превращение ее в тепловую энергию при протекании индуцированных токов в нагреваемом теле. На рис. 1.16 представлены схемы индукционного нагрева. Рис. 1.14 – Нагрев полупрозрачных тел излучением 1 - падающее излучение; 2 - отраженное излучение; 3 - поглощенное излучение; 4 - пропущенное излучение; 5 - нагреваемое тело В диэлектрическом ЭТО [3, 4, 12] происходит выделение теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при электрической поляризации. 22 Рис. 1.15. Схемы дугового нагрева: а - прямой; б - косвенный; в - смешанный; г - дуговой плазмотрон; д - вакуумно-дуговой; е - оптический дуговой: 1 - электрод; 2 - электрическая дуга; 3 - расплавленный металл; 4 - футеровка; 5 - корпус печи; 6 - газовая полость; 7 - слой шихты; 8 - охлаждаемый кристаллизатор; 9 - слиток металла; 10 - вакуумная система; 11 - оптическая система; 12 - нагреваемое тело; 13 - дуговая камера; 14 - технологическая камера; 15 - струя плазмы; 16 - корпус плазмотрона (анод); 17 - электроизоляционный узел; 18 - подвод газа Сплошными стрелками показана теплопередачаизлучением, пунктиром – поток газа. Рис. 1.16. Схемы индукционного нагрева: а - с магнитопроводом; б - без магнитопровода; в - косвенный нагрев с промежуточным нагревателем; г - индукционно-плазменный: 1 - нагреваемое тело; 2 - магнитопровод; 3 - футеровка; 4 - индук 23 тор; 5 - промежуточный нагреватель; 6 - кварцевая труба; 7 - подвод газа Род теплопередачи: сплошные стрелки - излучением; пунктирные - конвекцией. Штрих-пунктирными стрелками обозначен поток ионизированного газа. На рис. 1.17 представлены схемы диэлектрического нагрева. Рис. 1.17. Схемы диэлектрического нагрева: а - в электрическом поле; б - в электромагнитном поле (сверхвысокочастотном): 1 - электроды; 2 - нагреваемое тело; 3 - волновод; 4 - резонатор Рис. 1.18. Схема электронно- лучевого нагрева с аксиальной электронной пушкой: 1- выводы к источнику Рис. 1.19. Схема электронно- лучевой печи: 1 - слиток, 2 - плавильная камера, 3 – кристаллизатор, 4 - 24 питания подогревом; 2- выводы к основному источнику питания; 3- электронная пушка, 4 - катод подогрева, 5 - катод; 6 – анод, 7 - система проведения пучка, 8 - герметичный корпус печи, 9 - нагреваемое тело, 10 - вакуумная система; 11 - пучок электронов присоединение к вакуумным, 5 - электронная пушка, 6 - переплавляемый электрод. В электронно-лучевом ЭТО [3, 4, 12, 25] происходит выделение теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом. Схема электронно-лучевого нагрева с аксиальной электронной пушкой приведена на рис. 1.18, схема электронно-лучевой печи - на рис. 1.19. В ионном ЭТО [4, 12, 25] происходит выделение теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме. Схемы ионного нагрева представлены на рис. 1.20. а) б) Рис. 1.20. Схемы ионного нагрева: а - диффузионный нагрев; б - ионное осаждение: 1 - герметичный корпус; 2 - обрабатываемое тело; 3 - подача газов; 4 - вакуумная система; 5 - испарительная камера; 6 - испаряемый материал; 7 - электрическая дуга Стрелками с кружками показан поток ионов. 25 Рис. 1.21. Схема лазерного нагрева: 1 - электроды; 2 - резонатор (полупрозрачное зеркало); 3 - система фокусирования и транспортирования луча; 4 - лазерное излучение; 5 - нагреваемое тело; 6 - герметичный корпус; 7 - вакуумная система; 8 - подвод газов; 9 - резонатор (непрозрачное зеркало) В плазменном ЭТО [3 - 5, 25] происходит выделение теплоты, основанное на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Схема плазменной печи с керамической футеровкой показана на рис. 1.22 и схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем показана на рис. 1.23. 26 Рис. 1.22. Схема плазменной печи с керамической футеровкой: 1 - корпус печи; 2 - плазменная дуга; 3 – свод; 4 – плазматрон; 5 – источник; 6 – подовый водоохлаждаемый электрод Рис. 1.23.– Схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем: 1 – поддон; 2 – слиток; 3 - жидкий металл; 4 - плазменная дуга; 5 - корпус печи; 6 - переплавляемый электрод; 7– элекрододержатель; 8 – плазматрон; 9 - источник питания; 10 – кристаллизатор В сварочном ЭТО [5, 12, 14] происходит выделение теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки. Сварочные ЭТО делятся по виду сварки, рис. 1.24. Схемы ручной дуговой сварки показаны на рис. 1.25, точечной сварки - на рис. 1.26, стыковой сварки - на рис. 1.27, шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки - на рис. 1.28. Рис. 1.24 – Классификация сварочных ЭТО 27 Схемы ручной дуговой сварки показаны на рис. 1.25, точечной сварки - на рис. 1.26, стыковой сварки - на рис. 1.27, шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки - на рис. 1.28. Рис. 1.25 – Схема ручной дуговой сварки: I - основной металл; 2 - сварочная линия; 3 - кратер; 4 - сварочная дуга; 5 - приправленный металл F пр ; 6 - наплавленный металл F н ; 7 - шлаковая корка; 8 - жидкий шлак; 9 - покрытие электрода; 10 - стержень электрода; I1 - элекрододержатель; 12 - сварочная цепь; 13 - источник питания Применение электротермического оборудования для различных видов промышленности приведено в табл. 1.1, 1.2, 1.3. Рис. 1.26 – Схема точечной сварки: 1 - литое ядро; 2 - свариваемые детали; 3 - верхний электрод; 4 - трансформатор; 5 - нижний электрод 28 Рис. 1.27 – Схема стыковой сварки: 1 - детали; 2 - зажимные губки; 3 - сварочный трансформатор Таблица 1.1 Важнейшие электротермические процессы цветной металлургии и применяемое для них ЭТО Процессы Металлы и сплавы Оборудование Восстановление металла из руд с получением продукта в твердой фазе Медный, медно-никелевый и никелевый штейн, сили- коалюминий, никель, ферроникель, ферротитан, свинцовые шлаки РТП а) б) Рис. 1.28. Схема шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки: 1 - свариваемые детали; 2 - сварочные ролики; 3 - сварочный трансформатор; 4 - медная прокладка 29 То же с получением продукта в газовой фазе Магний, цинк, медь, никель и их сплавы ДП косвенного нагрева, ИКП, ПС Плавка из чушек или ме- таллоотходов для полу- чения сплавов, заготовок, рафинирования или вы- плавки фасонного литья Медь, никель и их сплавы ИКП, ИТП, ДП косвенного нагрева Тоже Алюминий, цинк, магний, олово, свинец и их сплавы, благородные и редкие металлы ИТП, ИКП, ПС косвенного нагрева (в том числе вакуумные) Получение металла спе- канием штабиков, спрес- сованных из порошков Тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.) ПС косвенного и прямого нагрева, ИП косвенного Получение монокристал- лических заготовок выра- щиванием из расплава Полупроводниковые (кремний и др.), оптические (арсенид галлия и др.) ПС косвенного нагрева и ИП Переплав для рафиниро- вания Медь ВДП, ИВП Переплав спрессованных и спеченных заготовок Тугоплавкие, высокореак- ционые (титан) ВДП, ЭЛЛ Процессы Металлы и сплавы Оборудование Зонная очистка от примесей Полупроводниковые ИП повышенной чистоты Нагрев перед пластиче- ской деформацией (ков- ка, прокатка) для полу- чения профилей, листа труб и др. Медь, алюминий и их сплавы ИП, ПС косвенного нагрева 30 Тоже Тугоплавкие, высокореак- ционные (титан, цирконий и др.), редкие ИД, ПС косвенного нагрева, вакуумные Термическая и химико- термическая обработка Цветные, легкие, тугоплав- кие, высокореакционные, полупроводниковые, редкие ПС косвенного нагрева с воздуш- ной атмосферой, контролируемой атмосферой или вакуумные Примечание: сокращенные обозначения: РТП - рудно-термические печи; ВДП - вакуумно-дуговые печи, ДП - дуговые печи, ИН - индукционные нагреватели, ИВП - индукционные вакуумные печи, ИКП - индукционные канальные печи, ИТП - индукционные тигельные печи, ИП - индукционные печи, ПС - печи сопротивления, ЭЛЛ - электронно-лучевые печи. Таблица 1.2 Важнейшие электротермические процессы в заготовительных производствах машиностроения и применяемое для них ЭТО Процесс Металлы и сплавы Оборудование Фасонное литье Сталь, сплавы на основе железа ДСП, ИТП, в том числе вакуумные, ЭЛЛ ВДП Чугун ИТП, ИКП, ДСП косвенного и прямо- Цветные ИКП, ИТП, ДП кос- венного нагрева, ПС Легкие ПС, ИТП, ИКП Химически высокоак- тивные, тугоплавкие ВДП (гарнисажные), ЭЛЛ (гарнисажные) Процесс Металлы и сплавы Оборудование 31 Нагрев под ковку, штамповку и другие процессы пластической дефор- мации Сталь, сплавы на основе железа, цветные ИП, ПС косвенного и прямого нагрева Спекание из порошков Сталь, сплавы на основе железа, цветные ПС Нагрев перед сваркой Сталь, сплавы на основе железа, цветные ПС, ИП Отжиг отливок, поко- вок, сварных конст- рукций Сталь, сплавы на основе железа, цветные ПС, ИП Примечание: сокращения те же, что и в таблице 1. Таблица 1.3 Важнейшие электротермические процессы термической и химико- термической обработки и нанесения покрытий в машиностроении и применяемое для них ЭТО Процессы Методы нагрева Виды электропечей Отжиг, нормализация, старение Сопротивлением, индукционный Камерные, шахтные, элеваторные, конвейер- ные, соляные электро- ванны, толкательные, рольганговые, с пульси- рующим подом, кару- сельные, ручьевые, ба- рабанные, с шагающим подом Изотермический отжиг Сопротивлением Рольганговые, толкательные Процессы Методы нагрева Виды электропечей 32 Закалка Сопротивлением, индукционный Камерные, шахтные, соляные электрованны, элеваторные, конвейер- ные, толкательные, рольганговые, барабан- ные, с пульсирующим подом, ручьевые Местная закалка, в том числе поверх- ностная Высокочастотный индукционный, со- противлением, лазер- ный, плазменный Закалочные станки, специальные периоди- ческого действия, кон- вейерные, карусельные, ручьевые, рольганговые Отпуск Сопротивлением Камерные, шахтные, соляные электрованны, элеваторные, конвейер- ные, толкательные, рольганговые, барабан- ные, ручьевые Газовая цементация Сопротивлением, индукционный, ионно-плазменный Шахтные, камерные, толкательные, барабан- ные Азотирование Сопротивлением, ионно-плазменный Шахтные, двухстендо- вые с передвижной ка- мерой, колпаковые Нитроцементация Тоже Шахтные, камерные, конвейерные, толка- тельные, барабанные, с пульсирующим подом Горячая пайка Сопротивлением, индукционный Камерные, колпаковые, конвейерные, с шагаю- щим подом, соляные электрованны Эмалирование, цинкова- ние и другие покрытия Сопротивлением Камерные, колпаковые, элеваторные, конвейер- ные, протяжные Процессы Методы нагрева Виды электропечей 33 Нанесение (напыление, осаждение) покрытий, поверхностное реагиро- вание и плакирование Ионно-плазменный, дуговой, сопротивле- нием, лазерный, ди- электрический Камерные, конвейерные, шахтные, специальных конструкций Пайка Сопротивлением, вы- сокочастотный и ин- дукционный Камерные, шахтные, специальных конструкций |