Нагревательные элементы сопротивления

Основы теории электрического нагрева

Тема: Типы электропечей

В литейном производстве применяют большое количество разнообразных электропечей: для плавки и выдержки металла, термообработки и сушки. Электропечи удобно классифицировать по способу преобразования электрической энергии в тепловую испособу подвода теплоты к нагреваемому телу. В электропечах нагрев осуществляется по методу сопротивления, электрической дугой, индукционным методом и электронным лучом.

Отечественная промышленность выпускает большое количество разнообразных электропечей. Обозначение электропечей, выпускаемых отечественной промышленностью, основано на методе нагрева с учетом признаков технологического характера. Так, для плавиль­ных печей обозначения состоят из трех основных букв, нескольких цифр и вспомогательных букв.

Первая буква обозначает способ нагрева: Д — дуговой; И — индукционный; С — сопротивлением; Э — электронный.

Вторая буква определяет металл, для плавки которого предназначена печь: С — сталь; Ч — чугун; А — алюминий; М — медь и ее сплавы и т. д.

Третья буква определяет основной конструктивный признак печи: для дуговых открытых печей П — поворотный свод; для индукционных от­крытых печей Т — тигельный; для печей сопротивления К — камерная и т. д.

Цифра после буквенного обозначения для плавильных электропечей обозначает вместимость в тоннах.

Примеры обозначений: ИАТ-6 — индукционная тигельная печь для плавления алюминия вместимостью 6 т; ИСТ-0,4 — индукционная сталеплавильная тигельная печь вместимостью 0,4 т; ДСП-12 — дуговая сталеплавильная печь с поворотным сводом вместимостью 12 т.

Дуговые печи успешно применяют для плавки металлов, т.к. высокая концентрация энергии обеспечивает быстрое расплавление металла. Промышленные дуговые печи работают на переменном токе, поэтому в течение каждого периода в результате изменения направления тока поверхность торца электрода и поверхность металла попеременно становятся то катодом, то анодом.

Перенос тока в дуге в основном осуществляется движущимися электронами. При прохождении электронов газ, находящийся в дуговом промежутке, ионизируется. Дуговой электрический разряд поддерживается за счет эмиссии электронов из катода, которая резко возрастает при повышении температуры. Электроны, выбрасываемые катодом, ускоряются под воздействием приложенного к дуговому промежутку напряжения, устремляются к аноду и отдают ему свою кинетическую энергию, вызывая его нагрев и разрушение.

Таким образом, между графитизированными электродами и металлом создается столб дуги, состоящий из смеси нейтральных газовых частиц электронов, ионов и атомов паров электрода и металла. В результате в жидкой ванне возникает циркуляция металла, которая ускоряет передачу теплоты от дуги к металлу, способствует перемешиванию металла и выравниванию в нем температуры по объему ванны.

Электрическая дуга является интенсивным высокотемпературным источником излучения, температура дуги находится в пределах 4900-5800ºС. Электроды должны иметь высокую электропроводимость, повышенную температуру начала окисления на воздухе, высокую механическую прочность и хорошую обрабатываемость. Электроды изготовляют диаметром 100-710 мм и длиной 1000-1800 мм. Наращивание производят с помощью специальных графитированных ниппелей с конической или цилиндрической резьбой. Расход электродов в среднем составляет 5-8 кг/т.

Электронно-лучевые печи работают по принципу преобразования в теплоту энергии пучка электронов при взаимодействии его с поверхностью нагреваемого тела. Электроны, эмитированные катодом, разгоняются электрическим полем до больших скоростей и направляются на нагреваемое тело. Создание и ускорение пучков электронов эффективно только в условиях высокого вакуума.

Достигая поверхности металла, электроны внедряются в его кристаллическую решетку или жидкую структуру расплава. Проходя через металл, электроны взаимодействуют как с кристаллической решеткой, так и с отдельными атомами, молекулами и электронами. В результате часть энергии электронного пучка переходит в тепловую энергию, за счет которой температура металла повышается. Таким образом, металл в области падения электронного пучка разогревается. Затем теплота распространяется в металле путем теплопроводности.

Электронно-плавильные установки (ЭПУ) применяют для получения слитков особо чистых металлов и переплава отходов этих металлов.

Электронной пушкой называют устройство, в котором пучок электронов, эмитируемых катодом, формируясь электрическим и магнитным полями, ускоряется в электрическом поле, выводится через отверстия в аноде и направляется на нагреваемый металл.

Нагревательные элементы сопротивления

Нагревательные элементы сопротивления (нагреватели) могут металлическими и керамическими. Металлические нагревательные элементы сопротивления применяют в основном в тер­мических печах; они представляют собой проводники, выполненные из специального сплава, имеющего большое электрическое сопро­тивление и высокий срок службы при температурах, соответству­ющих термической обработке. Если на концах проводника создать разность потенциалов, по проводнику потечет электрический ток, сила которого будет зависеть как от напряжения на концах провод­ника, так и от электрического сопротивления самого проводника, т. е.

I=V/R

где I — ток в проводнике, А; V — напряжение на концах провод­ника, В; R — электрическое сопротивление проводника, Ом.

При протекании по проводнику электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Количество электрической энергии, преобразованной в тепловую за 1 с, можно выразить формулой Р = V*I, где_ Р — количество энергии за 1 с или мощность, Вт.

Регулируя напряжение и сопротивление проводника, можно добиться выделения необходимого количества тепловой энергии. Напряжение регулируют трансформатором. На термических печах напряжение может изменяться от 5 до 380 В. Для этой цели исполь­зуют печные трансформаторы, рассчитанные на передачу большого количества электрической энергии. Сопротивление проводника (нагревателя) изменяют, увеличивая или уменьшая его длину и по­перечное сечение.

Электрическое сопротивление проводника может быть подсчитано по формуле

R = ρl/S

ρ—удельное электросопротивление материала проводника, Ом-м; l— длина проводника, м; S — площадь поперечного сечения проводника, м².

Долговечность нагревателя зависит от температуры, до которой он нагревается. Чем лучше условия отвода теплоты от нагревателя,

Рис. 9. Нагревательные элементы

тем ниже его температура при прочих равных условиях. В термиче­ских печах температура нагревателя не должна превышать, темпе­ратуру рабочего пространства печи более чем на 50—100 °С. JB этом случае обеспечивается равномерный нагрев деталей. Если темпера­тура нагревателя будет намного выше температуры нагрева деталей, то возникнет местный перегрев деталей, что приведет к браку про­дукции. Долговечность нагревателя зависит также от поверхностной плотности теплового потока измеряемой в Вт/м². Допустимая по­верхностная плотность теплового потока для разной температуры печного пространства различна.

Для обеспечения быстрого разогрева печи расход электрической энергии принимается в 1,5 раза больше, чем требуется при нормаль- ной работе печи.

В зависимости от температуры в рабочем пространстве печи применяют соответствующие материалы нагревателей: до 1100 °С — преимущественно нагреватели из хромоникелевых сплавов, для более высоких температур (до 1300 °С) — керамические нагреватели. .'Большинство термических печей имеют нагреватели из ни­хрома — сплава никеля и хрома, изготовляемые из проволоки или ленты. Нагреватель из проволоки может быть изготовлен в виде спирали или зигзага.

На рис. 9, а показан нагреватель (справа) в виде спирали и даны примеры его расположения в печи. Срок службы нагревателя за­висит от размещения его в печи. Целесообразно нагреватели 2 раз­мещать на боковых стенах на полочках / или 5. Раскрытый нагре­ватель отдает теплоту в рабочее пространство печи излучением. Нагреватель 3 свода помещен в специальный фасонный кирпич 4, имеющий канал с прорезью. Условия отвода теплоты от нагревателя в этом случае хуже. Нагреватель свода со всех сторон окружен огнеупорным материалом, и только узкая прорезь соединяет канал с рабочим пространством печи. В таких условиях срок службы на­гревателя свода может быть увеличен лишь при уменьшении поверхностной плотности теплового потока на 25—35 %. Подовый нагреватель 9 также работает в тяжелых условиях. От рабочего пространства его экранирует подовая плита 8. Подовый нагреватель должен быть защищен от попадания на него окалины и прочих предметов. К на­гревателям, находящимся в печи, электрическая энергия подается по специальным проводникам-выводам 6, изготовленным из жаро­прочной стали. Они имеют поперечное сечение намного больше сече­ния проводника-нагревателя, чтобы избежать нагрева их протека­ющим в цепи током. Изделие 7 располагают на поде печи.

На рис. 9, б показан нагреватель (справа) из проволоки в виде зигзага и даны примеры его расположения в печи. На стенах зигзаго­образные нагреватели 4 подвешивают на крючках 3, изготовленных из нихрома. Нагреватели / на своде также подвешивают на крюч­ках 2, противоположные концы которых загибают, что препятствует их выпаданию. Нагреватели 5 располагают на поде печи.

Площадь раскрытия у зигзагообразных нагревателей больше, они хорошо отдают теплоту в печное пространство, что увеличивает срок их службы. Срок службы нагревателя зависит также от диа­метра проволоки, из которой сделана спираль или зигзаг.

Нагреватели из нихромовой ленты изготовляют обычно в виде зигзага. Схема размещения нагревателей в печи такая же, как и зиг­загообразных проволочных нагревателей.

Литые нагреватели изготовляют специальным методом литья в оболочковые формы. Такие нагреватели применяют в печах тогда, когда трудно подобрать нагреватели из проката из-за недопустимо высокой поверхностной плотности теплового потока и, следова­тельно, более высокой температуры нагревателя. Питые нагреватели успешно применяют при температуре печного пространства 950— 1150 °С. Нагреватели в месте изгиба имеют приливы, при помощи которых их крепят в печах на специальных петлях и крючках.

Для обогрева сушил некоторое распространение получили труб­чатые нагреватели..Трубчатый электронагреватель (ТЭН) состоит из трубки из жаропрочной или обычной углеродистой стали, внутри которой помещена спираль, навитая из нихромовой проволоки. Спираль расположена по оси трубки, а пространство между спи­ралью и стенкой трубки заполнено порошком из окиси магния, обладающим хорошими электроизоляционными свойствами и высо­кой теплопроводностью. Длина трубки может быть до 1 м. По концам трубки устанавливают изоляторы с расположенными в них выво­дами, к которым присоединена спираль. Трубки в сборе можно легко изгибать и придавать им любую форму. Эти нагреватели применяют при рабочей температуре до 600 °С для нагрева воздуха, воды, масла и т.д.

В основу расчета электрических нагревателей положены условия теплопередачи их с окружающим «пространством. Срок службы нагревателя зависит от температуры для каждой марки стали или сплава, из которого сделан нагреватель, существует оптимальная температура. Перегрев нагревателя приводит к его пережогу.

Температура нагревателя зависит от поверхностной плотности теплового потока от нагревателя к окружающей среде. Чем ниже температура в рабочем пространстве печи, тем "больше может быть поверхностная плотность теплового потока от нагревателя. Для нагревателей из нихрома рекомендуется поверхностная плотность теплового потока 1,5-10⁴ Вт/м² при температуре лечи 900 "С; 1-10⁴— при 1000 °С; 0,7-10⁴ —при 1100 °С.

Размеры нагревателя определяют, установив тепловым расчетом печи его необходимую мощность и задавшись допустимой поверх­ностной плотностью теплового потока от нагревателя.

Размеры нагревателей из круглого проката

где d — диаметр проволоки, м; ρ — удельное электрическое сопро­тивление нагревателя, 10^-6 Ом-м; Р — мощность, кВт; V— напряжение на нагревателе, В; l — длина нагревателя, м; q — поверхностная плотность теплового потока, Вт/м².

Для ленточных нагревателей при отношении сторон ленты bla = т

На условия теплопередачи нагревателя влияют состав атмосферы печи и взаимное расположение нагревателей.