Главная страница
Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
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[2]. Классификация ЭТО показана на рис. 2.10.
Рис. 2.10. 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.
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. 2.11 [12 – 15].

Рис. 2.11. 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. 2.12 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.
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. 2.12. 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. 2.13 [4, 12, 28], падающий на полупрозрачное тело поток излучения в общем случае разделяется на три составляющие: 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.
|
Рис. 2.13. Нагрев полупрозрачных тел излучением:
1 – падающее излучение; 2 – отраженное излучение; 3 – поглощенное излучение; 4 – пропущенное излучение; 5 – нагреваемое тело
|
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. 2.14 представлены схемы дугового нагрева.
| Рис. 2.14. 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 теплопередача излучением;
пунктиром – поток газа.
|
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. 2.15. представлены схемы индукционного нагрева.
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.
| Рис. 2.15. 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 – индуктор;
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. 2.16 представлены схемы диэлектрического нагрева.
| Рис. 2.16. Схемы диэлектрического нагрева:
а – в электрическом поле;
б – в электромагнитном поле (сверхвысокочастотном):
1 – электроды; 2 – нагреваемое тело; 3 – волновод; 4 – резонатор
|
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. 2.17, схема электронно-лучевой печи – на рис. 2.18.
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. 2.19.
|
| Рис. 2.17. Схема электронно-лучевого нагрева с аксиальной электронной пушкой:
1 – выводы к источнику 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
| Рис. 2.18. Схема электронно-лучевой печи:
1 – слиток, 2 – плавильная камера. 3 – кристаллизатор; 4 – присоединение к вакуумным насосам; 5 – электронная пушка;
6 – переплавляемый электрод
|
| Рис. 2.19. 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.
| В лазерном ЭТО [3 – 5, 25] происходит выделение теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах – оптических квантовых генераторах. Схема лазерного нагрева показана на рис. 2.20.
|
Рис. 2.20. 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. 2.21 и схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем показана на рис. 2.22.
|
| Рис. 2.21. Схема плазменной
печи с керамической футеровкой:
1 – корпус печи; 2 – плазменная дуга;
3 – свод; 4 – плазматрон; 5 – источник питания; 6 – подовый водоохлаждаемый электрод
| Рис. 2.22. 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. 2.23.
| | | | |  | | | | Рис. 2.23. Классификация сварочных ЭТО
| |
Схемы ручной дуговой сварки показаны на рис. 2.24, точечной сварки – на рис. 2.25, стыковой сварки – на рис. 2.26, шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки – на рис. 2.27.
Применение электротермического оборудования для различных видов промышленности приведено в табл. 1, 2, 3.
Таблица 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, силикоалюминий, никель, ферроникель, ферротитан, свинцовые шлаки
| РТП
| То же с получением продукта в газовой фазе
| Магний, цинк, медь, никель и их сплавы
| ДП косвенного нагрева, ИКП,
ПС
| Плавка из чушек или металлоотходов для получения сплавов, заготовок, рафинирования или выплавки фасонного литья
| Медь, никель и их сплавы
| ИКП, ИТП, ДП косвенного нагрева
| То же
| Алюминий, цинк, магний, олово, свинец и их сплавы, благородные и редкие металлы
| ИТП, ИКП, ПС косвенного нагрева (в том числе вакуумные)
| Получение металла спеканием штабиков, спрессованных из порошков
| Тугоплавкие (вольфрам,
молибден и др.)
| ПС косвенного и прямого нагрева, ИП косвенного нагрева
| Получение монокристаллических заготовок выращиванием из расплава
| Полупроводниковые
(кремний и др.), оптические (арсенид галлия и др.)
| ПС косвенного нагрева и ИП
| Переплав для рафинирования
| Медь
| ВДП, ИВП
| Переплав спрессованных и спеченных заготовок
| Тугоплавкие, высокореакционые (титан)
| ВДП, ЭЛЛ
| Зонная очистка от примесей
| Полупроводниковые
| ИП повышенной чистоты
| Нагрев перед пластической деформацией (ковка, прокатка) для получения профилей, листа труб и др.
| Медь, алюминий и их
сплавы
| ИП, ПС косвенного нагрева
| То же
| Тугоплавкие, высокореакционные (титан, цирконий и др.), редкие
| ИД, ПС косвенного нагрева, вакуумные
| Термическая и химико-термическая обработка
| Цветные, легкие, тугоплавкие, высокореакционные, полупроводниковые, редкие
| ПС косвенного нагрева с воздушной 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 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 прямого нагрева
| Цветные
| ИКП, ИТП, ДП косвенного нагрева, ПС
| Легкие
| ПС, ИТП, ИКП
| Химически высокоактивные, тугоплавкие
| ВДП (гарнисажные), ЭЛЛ (гарнисажные)
| Нагрев под ковку, штамповку и другие процессы
пластической деформации
| 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, поковок, сварных конструкций
| Сталь, сплавы на основе
железа, цветные
| ПС, ИП
|
Примечание: сокращения те же, что и в табл. 1.
Таблица 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, конвейерные, соляные электрованны, толкательные, рольганговые, с пульсирующим подом, карусельные, ручьевые, барабанные, с шагающим подом
| Изотермический отжиг
| Сопротивлением
| Рольганговые, толкательные
| Закалка
| Сопротивлением,
индукционный
| Камерные, шахтные, соляные электрованны, элеваторные, конвейерные, толкательные, рольганговые, барабанные, с пульсирующим подом, ручьевые
| Местная закалка,
в том числе поверхностная
| Высокочастотный индукционный, сопротивлением, лазерный, плазменный
| Закалочные станки, специальные периодического действия, конвейерные, карусельные, ручьевые, рольганговые
| Отпуск
| Сопротивлением
| Камерные, шахтные, соляные электрованны, элеваторные, конвейерные, толкательные, рольганговые, барабанные, ручьевые
| Газовая цементация
| Сопротивлением,
индукционный,
ионно-плазменный
| Шахтные, камерные, толкательные, барабанные
| Азотирование
| Сопротивлением,
ионно-плазменный
| Шахтные, двухстендовые с передвижной камерой, колпаковые
| Нитроцементация
| То же
| Шахтные, камерные, конвейерные, толкательные, барабанные, с пульсирующим подом
| Горячая пайка
| Сопротивлением,
индукционный
| Камерные, колпаковые, конвейерные, с шагающим подом, соляные электрованны
| Эмалирование, цинкование
и другие покрытия
| Сопротивлением
| Камерные, колпаковые, элеваторные, конвейерные, протяжные
| Нанесение (напыление, осаждение) покрытий, поверхностное реагирование и плакирование
| Ионно-плазменный,
дуговой, сопротивлением, лазерный, диэлектрический
(магнетронный)
| Камерные, конвейерные, шахтные, специальных конструкций
| Пайка
| Сопротивлением, высокочастотный и индукционный
| Камерные, шахтные, специальных конструкций
|
|