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 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» А.И. Алиферов Ю.И. Блинов С.А. Бояков С.А. Галунин Е.А. Головенко Л.П. Горева Е.С. Кинев Г.Е.Кирко И.Г. Кирко В.В. Ковальский А.В. Комаров Е.В. Кузнецов В.Ю. Неверов К.А. Михайлов Е.А. Павлов С.Ф. Сарапулов Ф.Н. Сарапулов В.Н. Тимофеев В.Н. Федоров Электротермические процессы и установки Учебное пособие по теоретическому курсу Красноярск 2007 г. 2 УДК ББК С Рецензенты: Авторы и составители: А. И. Алиферов В.Ю. Неверов Ю. И. Блинов М.В. Первухин С. А. Галунин С. Ф. Сарапулов Е. А. Головенко Ф. Н. Сарапулов Л. П. Горева Н.В. Сергеев Л.С. Гробова Б.А. Сокунов В.В. Ковальский П.А. Хоменков Е.В. Кузнецов Д.В. Хохлов Электротермические процессы и установки: Учебное пособие по теоретическому курсу/ Под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. ISBN В учебном пособии приведены основы применения электротермических установок, рассмотрены различные конструкции электрических печей сопротивления, установок индукционного нагрева, дуговых печей и специального электротермического оборудования, изложены программы теплового и электрического расчета различного электротермического оборудования. Данное пособие предназначено для бакалавров и магистров направления 140200 «Электроэнергетика и электротехника», также может быть использовано для других направлений. УДК ББК ISBN © ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» 3 ВВЕДЕНИЕ Предлагаемое учебное пособие в известной степени обобщает многочисленные разработки авторов в области электротермических процессов и установок, а также содержит материалы по тепловому и электрическому расчету электрических печей сопротивления, индукционных канальных и тигельных печей. Материал пособия основан на работах авторов, выполненных в Санкт-петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» при участии проф. Блинова Ю.И., доцента Галунина С.А. и др., Уральском государственном техническом университете «УПИ» при участии проф. Сарапулова Ф.Н., Сарапулова С.Ф. и др., Новосибирском государственном техническом университете «НЭТИ» при участии проф. Алиферова А. И., доцента Горевой Л. П. и др., Сибирском федеральном университете при участии проф. Тимофеева В.Н., доцента Боякова С. А. и др. В первой части учебного пособия даны основы применения электротермических процессов и установок, рассмотрены основные классы электротермического оборудования, даны основы теории теплопередачи, рассмотрены различные материалы, применяемые в электротермии, дана общая информация по рациональной эксплуатации электротермического оборудования. Во второй части пособия изложены область применения и классификация электрических печей сопротивления, рассмотрены основные виды ЭПС периодического и непрерывного действия, приведена методика теплового и электрического расчета печи сопротивления. В третьей части пособия изложены физические основы индукционного нагрева, описаны области применения и принципы действия канальных и тигельных индукционных печей, приведены методики расчета канальных и тигельных печей, изложена общая информация и методах поверхностной закалки и высокочастотной сварки. В четвертой части данного пособия рассмотрены общие вопросы по теории дуговых печей, приведены особенности технологических процессов, происходящих в дуговых печах, рассмотрены вопросы проектирования дуговых печей. В пятой части учебного пособия рассмотрено специальное электротермическое оборудование. 4 Работа над пособием распределилась следующим образом: А. И. Алиферов Ю. И. Блинов С. А. Галунин Е. А. Головенко Л. П. Горева Л.С. Гробова В.В. Ковальский Е.В. Кузнецов В. Ю. Неверов М.В. Первухин С. Ф. Сарапулов Ф. Н. Сарапулов Н.В. Сергеев Б.А. Сокунов П.А. Хоменков Д.В. Хохлов 5 СОДЕРЖАНИЕ стр. 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.4.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 12.2.1.1 1.2.2.1.2 1.2.2.1.3 1.2.2.1.4 1.2.2.1.5 1.2.2.1.6 1.2.2.1.7 1.2.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК Электротермическое оборудование (ЭТО). Область применения и классификация Виды теплопередачи Влияние изменения температуры на электро- и теплофизические свойства материала Классификация электротехнологических установок Электротермические установки Классификация электротермического оборудования Теплопередача, Материалы, применяемые в электротермии Теплопередача Материалы для электротермических установок Огнеупорные материалы Достаточная огнеупорность Достаточная механическая прочность при высоких температурах Достаточная термостойкость Сопротивляемость химическим воздействиям при нормальных и высоких температурах Достаточно малые теплопроводность и теплоемкость Малая электрическая проводимость и достаточная электрическая прочность при низких и высоких температурах Низкая стоимость, технологичность изготовления Огнеупорные растворы, бетоны, набивные массы и обмазки Теплоизоляционные материалы Жаропрочные материалы Материалы для нагревательных элементов электропечей сопротивления Рациональная эксплуатация электрических печей сопротивления. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Область применения и классификация. Основные параметры и режимы работ Основные виды ЭПС периодического действия Основные виды ЭПС непрерывного действия Тепловые и электрические расчеты электрических печей сопротивления Тепловой расчет электрических печей сопротивления 10 10 10 12 15 16 17 32 32 36 37 38 42 43 44 44 44 45 49 49 52 54 62 83 83 84 97 106 106 6 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.2 2.3. 2.3.1 2.3.2 3 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.1.2.4 3.1.2.5 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.3.3 3.1.3.4 3.1.3.5 3.1.3.6 3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 Определение времени нагрева и остывания изделий в печах периодического действия Нагрев тонких изделий Остывание тонких изделий Нагрев массивных изделий Электрический расчет электрических печей сопротивления Проектирование электропечей сопротивления периодического действия Примеры расчета установленной мощности ЭПС Инженерная методика расчета нагревателей электрических цепей ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА Область применения и классификация. Физические основы индукционного метода нагрева Область применения и классификация Преимущества индукционного нагрева Область применения индукционных установок Физические основы индукционного нагрева и электроконтактного нагрева Характеристики электрического поля Характеристики магнитного поля Закон полного тока Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея- Максвелла-Ленца) Закон Джоуля-Ленца Поверхностный эффект в проводниках Поверхностный эффект в цилиндрическом проводнике Глубина проникновения электромагнитной волны Активный слой Эффект близости Эффект кольцевой Эффект паза Индукционные канальные и тигельные печи Индукционные канальные печи Назначение индукционных канальных печей Принцип действия индукционной канальной печи Конструкция индукционных канальных печей Индукционные тигельные печи Назначение индукционных тигельных печей Принцип действия индукционной тигельной печи Циркуляция металлов в тигельной печи 106 107 112 115 117 126 129 135 146 146 146 147 147 148 150 151 153 154 155 156 156 158 160 162 165 166 168 168 168 170 174 180 180 187 190 7 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2 3.5.1.3 3.5.1.4 3.5.2 3.5.2.1 3.5.2.2 3.5.2.3 3.5.2.4 3.5.2.5 3.5.2.6 Расчет и проектирование индукционных канальных печей Определение емкости печи Объем ванны печи, заполняемый жидким металлом (сливаемым) Выбор формы ванны печи Определение мощности печи Расчет и проектирование индукционной тигельной печи Определение основных геометрических размеров печи Тепловой расчет тигельной печи Определение мощности печи Выбор частоты питания индуктора Индукционные нагревательные установки Основные понятия и определения в технике индукционного нагрева Особенности индукционных установок сквозного нагрева Особенности индукционного нагрева черных и цветных металлов Классификация индукционных нагревателей для сквозного нагрева по принципу действия Индукторы нагревателей для сквозного нагрева Схемы силового электропитания установок индукционного нагрева Требования к индукционным установкам сквозного нагрева Способы повышения эффективности установок индукционного нагрева Методы расчета установок индукционного нагрева Методы электромагнитных расчетов индукционных систем Методы расчета температурного поля в загрузке Методы анализа электрических процессов в схемах силового питания установок индукционного нагрева Применение коммерческих пакетов программ Инженерная методика расчёта индукционных установок для нагрева цилиндрической немагнитной загрузки Определение размеров индуктора, мощности и частоты питающего напряжения Определение частоты питающего напряжения Определение времени нагрева и средней мощности, подводимой к заготовке Расчет параметров схемы замещения интегральных характеристик системы «индуктор-деталь» Расчёт конденсаторной батареи Расчет водоохлаждения индуктора 194 195 196 197 199 203 206 211 211 213 218 218 220 221 225 228 230 235 236 239 240 242 244 245 247 247 248 248 249 255 255 8 3.5.2.7 3.6 3.6.1 3.6.1.1 3.6.1.2 3.6.1.3 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.1.9 4.1.10 4.2 4.2.1 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.5.1 4.2.5.2 4.2.5.3 4.2.5.3 4.2.5.4 4.2.5.5 4.2.6 Расчет воздушного охлаждения индуктора Индукционные установки для поверхностной закалки Основные типы закалочных индукторов Индукторы для внешних цилиндрических поверхностей Индукторы для закалки плоских поверхностей Индукторы для внутренних поверхностей Выбор частоты Тепловой расчет Определение геометрических размеров индуктора Закалочное оборудование Исследование процессов высокочастотной сварки Общие понятия о высокочастотной сварке металлов Механизм процесса высокочастотной сварки. Применение высокочастотной сварки ДУГОВЫЕ ПЕЧИ Область применения и особенности технологических процессов Концепция сверхмощной дуговой печи Технология производства стали в сверхмощной ДСП Заправка печи Завалка шихты Плавление шихты Особенности окислительного периода плавки и доводки Внепечная обработка стали Способы вакуумирования Продувка инертными газами Современные тенденции развития электросталеплавильного производства Расчет и проектирование дуговых печей Футеровка печи Водоохлаждаемый свод Схема впуска металла Конструктивные решения элементов токоподвода Кабельные гирлянды Электроды Подвижная часть вторичного токопровода Анализ и сравнение основных характеристик электрододержателей Материалы токопроводящих рукавов Конструкции и эксплуатационные характеристики токопроводящих рукавов Энергетический баланс дуговой сталеплавильной печи 257 260 260 261 262 262 263 265 268 269 271 271 274 282 283 283 284 286 287 288 289 293 294 296 300 301 304 304 307 308 311 311 312 314 314 317 318 319 9 4.2.7 4.2.7.1 4.2.7.2 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2.4 5.2 5.3 5.4 Тепловые потери дуговых печей Тепловые потери через футеровку и с охлаждающей водой Тепловые потери с отходящими газами СПЕЦИАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Плазменные нагревательные устройства Принцип действия и области применения плазменного нагрева Устройство и рабочий процесс плазмотрона Струйные плазмотроны Плавильные плазмотроны Электронно-лучевые печи Печи электрошлакового переплава Бытовые электронагревательные приборы БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 322 322 325 327 327 327 331 333 333 335 340 346 348 10 1 ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК 1.1 Электротермическое оборудование (ЭТО). Область применения и классификация 1.1.1 Виды теплопередачи Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи. Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел [6, 8]. Различают стационарный и нестационарный теплообмен (рис. 1.1). Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла (рис. 1.2). Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) - меньше. Тепловой поток через плоскую стенку при установившемся режиме (определяется по закону Фурье) пропорционален разнице температур поверхности стенки и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде. Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени 11 черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела. Рис. 1.1. Классификация теплообмена 12 Рис. 1.2. Классификация теплообмена по способу передачи тепла При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела. Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена решают с использованием экспериментально полученных констант и величин. Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона - Рихмана. По этому закону тепловой поток прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя (коэффициент теплоотдачи) и разности температур стенки и газа или жидкости. 1.1.2 Влияние изменения температуры на электро- и теплофизические свойства материала 13 С увеличением температуры происходит изменение электрофизических, теплофизических и магнитных свойств материалов и веществ (рис. 1.3 – 1.4) [6,10,11]. При изменении температуры наблюдается рост удельного сопротивления металлов. Скачкообразное изменение удельного сопротивления соответствует переходу металла из одного агрегатного состояния в другое (из твердого - в жидкое состояние) (рис. 1.3). Изменение относительной магнитной проницаемости, показанное на рис. 1.4, характерно только для ферромагнитных металлов. Рис. 1.3. Зависимость удельного электрического сопротивления некоторых металлов от температуры Рис. 1.4. Зависимость относительной магнитной проницаемости и удельного сопротивления от температуры для среднеуглеродистой стали При температуре, соответствующей точке Кюри (ориентировочно 730 −750°С), металл теряет свои магнитные свойства, и относительная магнитная проницаемость становится равной единице. Изменение энтальпии (теплосодержания) для металлов, показанное на рис. 1.5, имеет такой же характерный переход при изменении агрегатного состояния, что и изменение удельного сопротивления. Изменение коэффициента теплопроводности для некоторых газов и жидкостей (рис. 1.6, 1.7) связано с явлением переноса некоторого количества тепла в различных слоях жидкости или газа. Рис. 1.5. Энтальпия различных металлов 14 Рис. 1.6. Зависимости коэффициентов теплопроводности некоторых газов от температуры: 1 - водяной пар; 2 - кислород; 3 - воздух; 4 - азот; 5 - аргон Рис. 1.7. Зависимости коэффициентов теплопроводности некоторых капельных жидкостей от температуры: 1 - вазелиновое масло; 2 - бензол; 3 - ацетон; 4 - касторовое масло; 5 - этиловый спирт; 6 - метиловый спирт; 7 - глицерин; 8 - вода Собственно коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, переносимого через единицу поверхности за единицу времени при градиенте температуры равном единице. Для различных жидкостей и газов изменение коэффициента теплопроводности (в зависимости от изменения температуры) проявляется по-разному, что связано с явлением переноса внутренней энергии, зависящим от распределения молекул жидкостей и газов по скоростям. Изменение теплопроводности металлов (рис. 1.8) происходит по закону Видемана - Франца, в соответствии с которым для всех металлов отношение коэффициента теплопроводности к удельной электропроводности прямо пропорционально абсолютной температуре. 15 Рис. 1.8. Зависимости Коэффициентов теплопроводности некоторых металлов от температуры Рис. 1.9. Зависимости коэффициентов теплопроводности некоторых теплоизоляционных и огнеупорных материалов от температуры: 1 - воздух; 2 - минеральная шерсть, плотность 160 кг/м 3 ; 3 - шлаковая вата, плотность 200 кг/м 3 ; 4 - ньювель, плотность 340 кг/м 3 ; 5 - совелит, плотность 140 кг/м 3 ; 6 - диатомитовый кирпич, плотность 550 кг/м 3 ; 7 - красный кирпич, плотность 1670 кг/м 3 ; 8 - шлакобетонный кирпич, плотность 1370 кг/м 3 ; 9 - шамотный кирпич, плотность 1840 кг/м 3 Закон Видемана- Франца является следствием того, что теплопровод- ность металлов, как и их электропроводность, осуществляется свободными электронами [7]. Изменение теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов, представленных на рис. 1.9, показывает, что для большинства этих изделий с ростом температуры наблюдается увеличение коэффициента теплопроводности. Однако следует отметить, что наряду с приведенными материалами существуют и такие, у которых с ростом температуры коэффициент теплопроводности уменьшается (муллитовые, карборундовые изделия, хромомагнезитовый кирпич). |