Установки электронагрева

► При протекании тока в твердом или жидком проводнике выделяется теплота. Если проводник является объектом нагрева, то происходит прямой нагрев. Если же в проводнике выделяется теплота, которая затем передается объекту нагрева, то происходит косвенный нагрев; проводник в этом случае называют электронагревателем или нагревательным элементом.

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 1 (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-нования 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).