Установки косвенного нагрева

Косвенный способ нагрева используется в электрических печах сопротив­ления, в установках контактного инфракрасного нагрева и в электробытовых приборах (электроплиты, электродуховки, калориферы, электрокамины, паяль­ники и т. д.).

Наиболее энергоемкими из всех установок электронагрева являются электрические печи сопротивления (ЭПС). Наряду с небольшими лабораторными печами мощностью в сотни ватт или в несколько киловатт в промышленности применяют печи, мощ­ность которых измеряется сотнями и тысячами киловатт. Область применения их — нагрев металла под термическую обработку и пластическую деформацию, плавка металлов, сушка материалов, пайка. Конструкции электропечей сопротивления чрезвычайно разнообразны.

Простейшая печь косвенного нагрева (рис. 244) имеет ко­жух 1, воспринимающий механические нагрузки; он обложен слоями огнеупорного 2 и теплоизоляционного 3 материалов, об­разующих стены, свод 8 и под 6 печи. На поверхности свода, стен и на части пода с помощью специальной огнеупорной арматуры укреплены нагревательные элементы 5, излучающие теплоту на изделие 4. Материал нагревательных элементов имеет большое удельное электрическое сопротивление, устойчив к высоким тем­пературам, к химическому воздействию окружающей его среды. Этим требованиям удовлетворяют сплавы никеля, хрома, железа, нихрома. В печи имеется отверстие, служащее для загрузки и выгрузки изделий, которое закрывается футерованной дверцей 7.

Печи сопротивления косвенного действия подключаются не­посредственно к трехфазной сети напряжением 380, 660 В или к понижающим электропечным трансформаторам. Коммутационная аппаратура управления и автоматического регулирования уста­навливается в специальных щитах управления. При большом количестве печей в цехе используют один контрольно-распределительный пункт, в котором размещают всю аппаратуру.

Для изменения температур­ного режима печей сопро­тивления регулируют их мощ­ность переключением ступе­ней напряжения питающих трансформаторов или спе­циальными регуляторами на­пряжения, например, тиристорными.

От печей сопротивления косвенного действия прин­ципиально отличаются печи прямого нагрева, в которых нагреваемое изделие непо­средственно подключается к сети через понижающий трансформатор. Таким способом можно нагревать относительно длинные однородные изделия с одинако­вым сечением (прутки, трубы, проволоку, ленту), поскольку лишь в этих случаях обеспечивается равномерный нагрев. Наиболее широко он используется для нагрева заготовок под ковку, вы­садку, оттяжку, закалку.

Электрические печи сопротивления имеют коэффициент мощно­сти, близкий к единице. Печи сопротивления обычно устанавли­ваются группами, образующими термические участки или цехи. Это позволяет обеспечить равномерную загрузку электрической сети.

В дуговых печах нагрев производится электрической дугой, горящей между двумя электродами. Электрическая дуга — один из видов электрического разряда в газовой среде или парах ме­талла.

В камере печи при горении дуги возникают большие темпера­турные перепады, что приводит к неравномерному нагреву ме­талла. Поэтому в дуговых печах плавят только металлы.

Электрические печи, в которых теплота от дуги, горящей между двумя электродами, передается нагреваемому металлу излучением, называются дуго­выми печами косвенного действия. Обычно это небольшие печи для плавления цветных металлов.

В печах прямого действия дуга возникает между электродами и расплавляемым металлом. Дуговые печи прямого действия, отличающиеся большой мощностью, предназначены в основном для выплавки высококачественной и легированной стали из ме­таллического лома (скрапа). Плавка стали в дуговых печах -дорогой и энергоемкий процесс. Так, например, на 1 т выплавляе­мой стали расходуется 500—1000 кВт-ч, поэтому лишь неболь­шую, часть всей получаемой из скрапа стали (около 10%) вы­плавляют в электрических печах.

ЗАПОМНИТЕ

Современные дуговые сталеплавильные печи — это печи пе­риодического действия. Плавка в них продолжается 1,5— 3,5 ч, после чего металл полностью сливается.

Все дуговые сталеплавильные печи имеют одинаковую кон­струкцию, питаются трехфазным током промышленной частоты. Ток подводится к трем вертикальным электродам / (рис. 245), выполненным из электрографита, через электрододержатели 2. Электроды перемещаются с помощью специального механизма, приводимого в движение электроприводом. Корпус печи пред­ставляет собой круглый стальной кожух, футерованный огне­упорным кирпичом. Нижняя часть футеровки образует непро­ницаемую для жидкого металла чашу — ванну, верхняя — стен­ки плавильного пространства. Сверху кожух закрыт куполооб­разным сводом 3 из огнеупорного кирпича. В своде по вершинам расположены три отверстия, уплотненные водоохлаждаемыми кольцами 4, предотвращающими прорыв из печи в цех горячих газов. Для загрузки печи свод с электродами приподнимается и отводится в сторону. Шихту загружают в раскрытую печь в специальных корзинах подъемным краном. В стене кожуха име­ется сливное отверстие 10 и рабочее окно 5 для обслуживания ванны при плавке и удаления из печи расплавленного шлака 7, скапливающегося на поверхности жидкого металла 8. Через ра бочее окно 5 в печь также вводят шлакообразующие и легирую­щие добавки

    Окно закрыто футерованной дверцей 6. Для слива металла печь наклоняют по направляющим 9 на 40—45° в сто­рону сливного отверстия 10, а для удаления шлака — на 10—15° в сторону рабочего окна.

Основным техническим параметром печи является ее ем­кость — масса стали, которую печь выдает за плавку при нор­мальном режиме работы. Емкость определяет габариты печи, потребляемую ею энергию и установленную мощность печного трансформатора. Печи емкостью 0,5—25 т считаются малыми, емкостью 40—100 т — средними и емкостью более 100 т -крупными.

Линейные напряжения на электродах малых печей состав­ляют 250 В, у самых крупных — 800 В, поэтому реализовать до­статочно большие мощности можно только при токах дуг от 1000 А у малых печей и до 60—80 кА у самых крупных. Это предопределяет подключение печи к сети 6, 10, 35 и 110 кВ через специальные трансформаторы с глубоким регулированием вто­ричного напряжения под нагрузкой. Вследствие больших токов токоподвод к электродам от выводов низкого напряжения транс­форматора выполняют как можно более коротким с целью умень­шения потерь. Этот токопровод называют короткой сетью печи.

Вначале дуги проплавляют в шихте под каждым электродом ямы («колодцы»), постоянно погружаясь в них. Куски шихты,

обваливаясь с краев «колодцев», часто за­мыкают дуговые промежутки накоротко. Эти так называемые эксплуатационные ко­роткие замыкания (ЭКЗ) являются нор­мальными и для этапа расплавления. При эксплуатационных коротких замыканиях вступает в действие автоматика печи, элек­троды резко перемещаются вверх и повторно образуется электрическая дуга. При слу­чайных обрывах дуг с помощью автоматики электроды перемещаются вниз до соприкос-новения с металлом и затем вверх, образуя дугу. Броски тока при коротком замыкании ограничиваются в основном индуктивным сопротивлением соответствующей фазы ко­роткой сети. Общее сопротивление печного контура рассчитывают так, чтобы бросок тока при коротком замыкании не превос­ходил 2,5—3,5 номинального.

В состав электрооборудования дуговых сталеплавильных печей входят печной транс­форматор ПТ, высоковольтные выключатели ВВ, короткая сеть КС, разъединитель Р, дроссель Др (рис. 246).

                  ЗАПОМНИТЕ

Печной трансформатор отличается от обычного силового трансформатора большой мощности тем, что номинальные токи на стороне низшего напряжения (НН) составляют тысячи и десятки тысяч ампер при относительно низком вторичном напряжении.

Он отличается повышенной механической прочностью и тер­мической устойчивостью к частым толчкам токов при коротком замыкании. Для этого обмотки НН трансформатора имеют спе­циальную конструкцию и усиленное крепление, занимая в баке гораздо больше места, чем у обычного трансформатора той же мощности. Печные трансформаторы рассчитывают таким обра­зом, чтобы они могли переносить 20%-ную перегрузку по току в течение 1,5—2 ч. Такая перегрузка часто возникает на этапе расплавления металла. Высоковольтный выключатель ВВ за сут­ки производит до 20 оперативных включений — выключений, поэтому для дуговых сталеплавильных печей выпускают специ­альные выключатели усиленной конструкции.

2 Установки индукционного нагрева

При индукционном нагреве электромагнитное поле, созда­ваемое переменным током, возбуждает в нагреваемом теле вихревые токи. Этот эффект используется для плавки ме­таллов и сплавов в индукционных печах, а также для тер­мической обработки и для нагрева металлических тел в индукционных нагревательных установках.

Устройство, создающее переменное электромагнитное поле, называется индуктором.

Лекция 7. Тема 1.6 Характеристика установок электрической сварки

1 Общие сведения

2 Контактная сварка

3 Дуговая сварка

4 Электронно-лучевая сварка

Общие сведения

Практически нет ни одной отрасли машиностроения, приборостроения и строительства, в которых не применялись бы сварка и резка металлов. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины – от сотых долей миллиметра до нескольких метров.

Электросваркой называется процесс получения неразъемных соединений металлических деталей с применением местного нагрева электрическим током и использования сил молекулярного сцепления.

Электросварка делится на два основных вида: дуговую сварку и сварку сопротивлением, или контактную сварку. Тепловая энергия при дуговой сварке выделяется в дуговом разряде в непосредственной близости от свариваемого шва. При контактной сварке тепловая энергия выделяется непосредственно в свариваемом стыке за счет прохождения через свариваемые детали электрического тока.

Электросварка может выполняться как на постоянном токе, так и на переменном

Сварочные установки питаются от сетей напряжением 220/380 В.

Источники сварочного тока делятся на однопостовые и многопостовые. Однопостовые источники имеют небольшую мощность, обеспечивают питание только одного сварочного поста. Многопостовые источники имеют мощность, достаточную для одновременного питания нескольких сварочных постов. По конструктивному исполнению источники сварочного тока делятся на стационарные и передвижные.

Электросварочные установки по степени механизации технологических операций разделяются на установки, в которых эти операции выполняются вручную, установки полуавтоматические (когда автоматически поддерживается электрический режим сварки, остальные операции выполняются вручную) и установки автоматические.

Различают:- сварку сопротивлением, или контактную сварку;

                 -дуговую сварку ;

               - плазменно-дуговую;

               - электронно-лучевую сварку.

Контактная сварка

Способ электрической сварки, при котором нагрев свариваемого участка происходит за счет выделения тепла в местах соприкосновения свариваемых деталей при прохождении через них сварочного тока, называется контактной сваркой.

 Контактная сварка производится на переменном токе от сварочных трансформаторов, вторичные обмотки которых состоят из одного витка, замыкаемого электродами через два свариваемых куска металла. Напряжение вторичной цепи составляет от 2 до 25 В, сила сварочного тока измеряется десятками килоампер и достигает в самых крупных машинах 300 кА, а при сварке труб - до 1,5 млн. А.

Разновидностями контактной сварки являются:

- точечная;

- стыковая;

-шовная сварки.

Машины для точечной сварки бывают автоматическими и неавтоматическими, одноточечными и многоточечными, стационарными и переносными. Одноэлектродные машины имеют мощность от 5 до 1000 кВт с величиной сварочного тока от 0,5 до 160 кА.

Для сварки деталей толщиной менее 1 мм применяется импульсная сварка, которая проводится импульсом тока, получаемого при разряде конденсатора через первичную обмотку сварочного трансформатора, мощностью 0,1-0,2 кВА.

Для сварки стыков различных деталей применяется стыковая сварка. Стыковые машины мощностью от 0.75 до 100 кВт изготавливают с пружинными или рычажными механизмами сжатия, мощностью от 150 до 600 кВт - с приводом от электродвигателя или от гидравлического двигателя.

При шовной сварке соединение металлических деталей производится непрерывным или прерывистым швом электрическим током, подводимым к свариваемым деталям вращающимися роликами. Такой вид сварки применяют при производстве труб различного диаметра. Трубы свариваются из полос с продольным или спиральным сварочным швом.

Например, для электросварки труб диаметром 400-660 мм к заготовкам с продольным швом подводятся диски-электроды, вращающиеся вместе со сварочным трансформатором мощностью 4400 кВА и производящие нагрев и сварку стыка при напряжении 16 В и сварочном токе 275 кА.

Контактная электросварка имеет разновидности: стыковая, точечная и роликовая. Точечная и роликовая (шовная) сварка производится на контактных машинах мощными однополярными импульсами тока.

Свариваемые детали устанавливают между электродами кон­тактной машины, плотно сжимают и включают ток. В месте контакта металл расплавляется и образуется сварная точка, при роликовой сварке заготовки устанавливают между роликами. При вращении роликов к ним импульсом подключается ток.

Высококачественная точечная сварка достигается при опре­деленной амплитуде и длительности импульса тока. Коммутация тока производится в цепи первичной обмотки сварочного транс­форматора Тр (рис. 253). Напряжение и ток вторичной обмотки

трансформатора регулируются тиристорными ключами (контак­торами 77 и Т2), управляемыми специальным устройством У У посредством изменения фазы угла открывания тиристора.

Дуговая сварка

При дуговой сварке детали нагревают с помощью электри­ческой дуги. Детали сами служат одним из электродов дуги. Черные металлы сваривают стальным электродом с обмаз­кой. В процессе сварки электрод расплавляется и образует шов. Детали из цветных металлов чаще сваривают с по­мощью угольного или графитового электрода — катода. Присадку вводят в зону сварки в виде отдельного приса­дочного прутка.

Устройства дуговой сварки отличаются повышенной электро­опасностью. Поэтому напряжение холостого хода источников пи­тания не превышает 90 В, рабочее напряжение составляет 35—70 В, напряжение дуги находится в пределах 35—50 В.

Сварочный ток в зависимости от толщины деталей может быть 100—1200 А.

Простейшим источником питания для сварки постоянным током является генератор смешанного встречного возбуж­дения с последовательной размагничивающей обмоткой возбуждения РО (рис. 251, а). Внешняя характеристика гене­ратора U (I) представлена на рис. 251,6.Напряжение холостого хода генератора регулируется реоста­том в цепи независимой обмотки возбуждения НО, а регулиро­вание тока короткого замыкания /_к осуществляется изменением числа витков размагничивающей обмотки.

В настоящее время получила большее распространение свар­ка переменным током, так как она обеспечивает не менее высо­кое качество свариваемого шва при меньшей стоимости источ­ника тока, меньшем расходе электрической энергии на единицу свариваемой продукции, большей надежности электрооборудова­ния и меньших эксплуатационных расходах.

В качестве источников питания для дуговой сварки перемен­ным током применяют однофазные сварочные трансформаторы с первичным напряжением 220 и 380 В. Существует три разно­видности конструкции трансформаторов. В трансформаторах с нормальным магнитным рассеянием (рис. 252, а) и дополнитель­ной реактивной катушкой первичная wl, вторичная w2 и реак­тивная ау_р обмотки размещены на магнитопроводе 1. Подвижная часть магнитопровода 2 образует регулируемый зазор б, при изменении которого меняется индуктивное сопротивление реак­тивной обмотки, включенной последовательно с нагрузкой. Чем больше зазор, тем меньше индуктивное сопротивление обмот­ки ш_р и больше сварочный ток /₂. Подвижная часть магнито­провода перемещается с помощью электропривода с дистанцион­ным управлением. Такие трансформаторы выпускают на нор­мальные сварочные токи от 500 до 2000 А.

В трансформаторах с подвижными катушками (рис. 252, б) перемещают одну из обмоток, обычно вторичную w2. При сбли­жении обмоток магнитная связь между ними усиливается, ток нагрузки растет, и наоборот. По такой схеме построены транс­форматоры на сварочные токи от 150 до 600 А.

Трансформаторы с магнитными шунтами (рис. 252,в) снаб­жены поворотным шунтом 3 между вторичной w2 и первич­ной wl обмотками. Шунт закорачивает часть магнитного потока, создаваемого обмоткой wl; чем меньше зазор между шунтом и основным магнитопроводом /, тем меньший поток проходит через вторичную обмотку и тем меньше сварочный ток /г.

Электронно-лучевая сварка

Кроме рассмотренных выше способов сварки в настоящее время находит все большее применение электронно-лучевая сварка, а также сварка с использованием плазмы.

Электронный луч способен сваривать любые тугоплавкие металлы, камни и керамику. При электроннолучевой сварке расходуется в 20 раз меньше энергии, чем при дуговой. При этом здесь не приходится разогревать большие объемы металла. Луч легко перемещать, отклоняя поток электронов магнитным полем и оставляя само изделие неподвижным. Достигается ювелирная точность сварки и отпадает надобность в громадных приспособлениях для перемещения изделий. Для сварки корпусов ракет, деталей подводных кораблей, тепловыделяющих элементов атомных станций созданы сварочные камеры диаметром более 10 м. Вес обрабатываемых в них заготовок достигает 25 т.

Одним из состояний вещества является плазма, представляющая собой газообразную смесь движущихся электронов, ионов и нейтральных атомов. Источником плазмы является плазменный генератор, или плазмотрон. Дуговой плазмотрон устроен следующим образом. Он содержит анод и катод, на которые подается высокое напряжение. В пространство разрядной камеры подается плазмообразующее вещество, чаще всего газ - воздух, азот, аргон и т.д. Под действием высокого напряжения в газе возникает разряд, и между катодом и анодом образуется плазменная дуга. Чтобы избегать перегрева стенок разрядной камеры, их охлаждают водой. В качестве анода может служить, например, металл, подвергаемый обработке с помощью плазмы. Применяются плазмотроны для резки, сварки металлов и других целей.

Лекция 8. Тема 1.7 Использование электрической энергии в электрохимическом производстве

1 Электролиз и экстракция

2 гальваностегия и  гальванопластика

Электролиз и экстракция

  В металлургии цветных металлов и в ряде химических произ­водств широко используются электрохимические процессы, и в первую очередь электролиз, который применяется для рафини­рования меди, никеля, свинца, получения алюминия, цинка, маг­ния, водорода, хлора и ряда других химических веществ. Сущность электролиза заключается в выделении из элек­тролита при протекании через него постоянного тока частиц вещества и осаждении их на электродах (этот процесс на­зывается экстракцией) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).

Электролиз применяется для получения легких металлов, например, алюминия; газов – кислорода, хлора и других веществ. Он используется для защитных и декоративных покрытий металлических и неметаллических изделий, лужения жести и т.д.

Электролиз сопровождается разложением вещества на ионы (положительные и отрицательные), которые под действием разности потенциалов перемещаются в направлении анода и катода. В сторону анода движутся отрицательные, а в сторону катода – положительные ионы. При этом у электродов образуются вещества, которые оседают на них или вступают с ними в химическую реакцию.

Электролиз ведется в электролизных ваннах (электролизерах). При получении, например, алюминия температура составляет 940…950^оС, поэтому футеровка электролизера осуществляется огнеупорными блоками, которые стойки в условиях высокой температуры и агрессивной среды. Угольные блоки играют роль катода, на котором выделяется расплавленный алюминий. Анод подается сверху. На нем выделяется кислород, способствующий быстрому обгоранию анода. Электролизеры обычно оборудуются механизмами, позволяющими осуществлять непрерывную подачу анода в расплав, поддерживая неизменным расстояние между анодом и катодом.

В процессе электролиза алюминия одновременно участвует несколько серий ванн. Серия – это ряд последовательно соединенных ванн. Количество ванн в серии может насчитывать до 150 шт. Напряжение на серии ванн 600…850 В, ток 60…150 кА.

Электролиз цветных металлов является весьма энергоемким производством.

Установленные мощности электролизных цехов достигает десятки и сотни мегаватт.

На промышленных предприятиях широко используются установки гальванического покрытия. Главное достоинство такого покрытия состоит в том, что оно позволяет значительно экономить цветные металлы и защищает изделие от коррозии. Основное электрооборудование, которое используется для нанесения гальванических покрытий, – это различного вида электролитические ванны, а также конвейерные линии. В качестве электролитов используются растворы кислот и щелочей, медный купорос. Напряжение ванн металлопокрытий колеблется в пределах 3,5…10 В, ток ванн лежит в интервале от 100 до 5000 А и выше. Для питания ванн используется постоянный ток.

В электролитах переносчиками зарядов служат ионы обоих зарядов. При протекании ионного тока (рис. 254) положительно заряженные ионы — катионы будут двигаться к катоду (это в основном металлы и водород), а отрицательно заряженные ионы — анионы (хлор, кислород, ОН~, SOr) — к аноду. У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные час­тицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны и превращаются в нейтральные частицы. Выделяю­щийся на электроде газ в виде пузырьков поднимается наверх. При этом раствор электролита обедняется и для поддержания непрерывности процесса электролиза его концентрацию необхо­димо сохранять на определенном уровне, пополняя электролит исходными соединениями.

При экстракции (электролитическом рафинировании) материал анода вступает в реакцию с электролитом, растворяется в нем по мере его обеднения, и частицы анода, приобретая положи­тельный заряд, направляются к катоду. На катоде выде­ляется материал, свободный от примесей, гораздо более чистый, чем тот, который растворяется на аноде (например, производство меди).