Электрическая печь сопротивления

                           Электрическая печь сопротивления

Электрическая печь сопротивления, электрическая печь, в которой  тепло выделяется в результате прохождения  тока через проводники с активным сопротивлением. Э. п. с. широко применяются  при термической обработке, для нагрева перед обработкой давлением, для сушки и плавления материалов. Распространение Э. п. с. определяется их достоинствами: возможностью получения в печной камере любых температур до 3000°С; возможностью весьма равномерного нагрева изделий путём соответствующего размещения нагревателей по стенкам печной камеры или применением принудительной циркуляции печной атмосферы; лёгкостью автоматического управления мощностью, а следовательно, и температурным режимом печи; удобством механизации и автоматизации печей, что облегчает работу персонала и включение печей в автоматические линии; хорошей герметизацией и проведением нагрева в вакууме, защитной (от окисления) газовой среде или специальной атмосфере для химико-термической обработки (цементация, азотирование); компактностью и пр.

Большая часть Э. п. с. — косвенного действия; в них электрическая  энергия превращается в тепловую при протекании тока через нагревательные элементы и передаётся нагреваемым  изделиям излучением, конвекцией либо теплопроводностью. Печь состоит из рабочей камеры, образованной футеровкой из слоя огнеупорного кирпича, несущего на себе изделия и нагреватели и изолированного от металлического кожуха теплоизоляционным слоем . Работающие в камере печи детали и механизмы, а также нагревательные элементы выполняются из жаропрочных и жароупорных сталей и других жароупорных материалов. Для нагрева больших партий одинаковых деталей применяют печи непрерывного действия (методические), в которых изделия непрерывно перемещаются от одного торца к другому.

Производительность таких печей  больше, нагрев изделий более однороден, расход энергии меньше; как правило, они в высокой степени механизированы. В Э. п. с. с рабочими температурами  до 700° С (как периодического действия, так и в методических) широко используется принудительная циркуляция газов с помощью вентиляторов, встраиваемых в печь или вынесенных из печи вместе с нагревателями в электрокалориферы. Э. п. с. косвенного действия для расплавления легкоплавких металлов (свинец, баббит, алюминиевые и магниевые сплавы) конструируются либо в виде печей с металлическим тиглем и наружным обогревом, либо в виде отражательных печей с ванной и расположенными над ней в своде нагревателями. К лабораторным Э. п. с. относятся небольшие трубчатые, муфельные и камерные печи, а также термостаты и сушильные шкафы.

В печах прямого действия изделие (пруток, труба) непосредственно нагревается  протекающим через него током , что  позволяет сосредоточить в нём  большую мощность и обеспечить очень  быстрый нагрев (секунды, доли минуты).

При изготовлении печей применяют  различные материалы. Отдельные  узлы печей работают при температуре  не превышающих 100ºС, поэтому для  их изготовления используют обычные  углеродистые стали и чугуны, применяемые  в машиностроении.

Некоторые узлы печей работают при температуре, близких к 1000ºС поэтому их изготавливают из специальных сталей или огнеупорных материалов. Печь имеет рабочее пространство, где происходит нагрев заготовок. Рабочее пространство печи устроено так, чтобы обеспечить равномерный прогрев нагреваемых заготовок.

Почти все промышленные и лабораторные печи снабжаются автоматическим регулированием температурного режима.

Электропечи сопротивления  являются наиболее распространенным видом  электрических печей, они применяются  для нагрева различных изделий и плавки металлов.

Промышленные электропечи  сопротивления предназначены для  проведения термической обработки  металлов в окислительной атмосфере, для термообработки (нагрев, закалка, обжиг), для нормализации металлических  изделий, полимеризации, химико-термической обработки, плавки чугуна и пайки металлов, термообработки изделий из керамики, фарфора, стекла и других материалов.

Электропечи сопротивления  классифицируют:

- по роду работы - на печи периодического и непрерывного действия;

- по рабочей температуре - на низкотемпературные (до 400 °C),  среднетемпературные (до 1000 °C), высокотемпературные(до 1600 °C),  на более высокие температуры изготавливаются вакуумные электропечи или электропечи с контролируемыми атмосферами;

- по атмосфере в рабочем пространстве печи - на печи с окислительной (воздушной) атмосферой, на печи с контролируемой средой и вакуумные печи;

- по конструктивному исполнению - на камерные, шахтные, колпаковые, камерные с выдвижным подом, плавильные, конвейерные, толкательные, барабанные, карусельные, печи с пульсирующим подом и др;

- по типу обрабатываемого материала - на печи для термообработки металла, печи для обжига керамики и фарфора, печи для спекания, изгибания, закалки стекла, печи для прокалки опок и др.

Электропечи сопротивления, как правило, характеризуются номинальной мощностью, мощностью холостого хода, размерами  рабочей камеры, рабочей температурой, производительностью печи, разновидностью атмосферы в печи.

Номинальная мощность печи - общая  мощность, которую способны выделить все нагреватели электропечи, а также мощность электродвигателей всех механизмов печи при расчетном напряжении сети.

Потребляемая мощность всегда меньше установленной и зависит от коэффициента использования печи, что связано  со старением нагревателей и износом футеровки.

Мощность холостого хода печи - мощность, потребляемая печью в установившемся тепловом режиме при рабочей температуре, без учета мощности нагрева садки  и мощности печных механизмов.

 Размер рабочей камеры –  расчетный максимальный размер садки, которая может быть загружена в печь, и нагрета по используемой технологии.

Рабочая температура - температура, которая может быть получена в  рабочем пространстве печи при обеспечении  достаточного срока службы печного  агрегата.

Производительность печи - количество обрабатываемого материала  в единицу времени.

В электропечах периодического действия изделия загружаются в  рабочее пространство через загрузочные  отверстия и находятся там, как  правило, неподвижно в течение всего  технологического процесса. В электропечах непрерывного действия обрабатываемые изделия с помощью транспортной системы передвигаются от загрузочного отверстия печи к разгрузочному, при этом нагреваясь до необходимой температуры и изменяя свое состояние согласно технологическому процессу. Печи непрерывного действия, по сравнению с печами периодического действия, имеют большую производительность, их проще комплектовать в поточные и автоматические линии.

Рабочая камера электропечей сопротивления изготавливается  из качественных огнеупорных материалов. Высокотемпературные нагревательные элементы устанавливаются вдоль боковых стенок на специальных керамических трубках, также встречается размещение дополнительных нагревателей на поде, своде, задней стенке или крышке электропечи.

Электропечи сопротивления  с нагревателями из карбида кремния  применяются во многих отраслях народного  хозяйства. Эти печи нашли широкое  распространение при проведении технологических процессов с  рабочими температурами 1000 - 1400°С.

Печи, снабженные нагревателями из карбида кремния, во многих случаях превосходят печи с металлическими нагревателями по технико-экономическим показателям: в первую очередь — по максимальной рабочей температуре, возможности ведения процессов скоростного нагрева и форсированного вывода электропечи на рабочий режим, возможности проведения процессов в окислительной атмосфере, а также по обеспечению большей мощности при одних и тех же размерах рабочего пространства.

Электропечи сопротивления с нагревателями из дисилицида молибдена также нашли применение во многих отраслях народного хозяйства. Рабочие температуры силицид молибденовых нагревателей выше – до 1600 - 1700 °С.

Установки эл. печей сопротивления имеют следующие  элементы:

1) Эл. печь.

2) Вспомогательные механизмы  с электро-, пневмо- или гидроприводом,  обеспечивающие загрузку или  выгрузку садки, и перемещение  в рабочем пространстве печи.

3) Комплектующее электрооборудование  – это эл. щиты, пульты, панели  управления, предназначенные для автоматического регулирования теплового режима, управления приводами вспомогательных механизмов, аппаратуру управления вакуумной системой для вакуумных печей, аппаратуру управления газовых печей для печей с контролируемой атмосферой, аппаратуру, обеспечивающую работу печей в автоматических линиях, трансформаторы или автотрансформаторы (согласующие и регулировочные), тиристорные переключатели, источники питания.

4) Датчики систем измерения  и регулирования температуры,  аппаратуру измерения и контроля вакуума и давления, аппаратуру контроля потока и температуры воды и другую измерительную аппаратуру.

 Так как печи  сопротивления обычно питаются  напряжением 220 или 380 вольт, то  из силовое оборудование обычно  простое. Включает в себя трансформаторы в сухом исполнении, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, обычная защитная и комплектующая аппаратура (автоматы, предохранители, контакторы, магнитные пускатели и т.д.) Большинство печей сопротивления не имеют трансформатора и включаются прямо в сеть.

 Трансформаторы используют  в соляных ваннах, в высокотемпературных  печах, карборундовые, угольные  или вольфрамовые нагреватели  которых резко изменяют с температурой  свое сопротивление.

 Аппаратура управления (ключи, кнопки, реле, конечные выключатели) применяются обычного исполнения.

 Каждая печь сопротивления  должна быть оборудована пирометрическими  материалами. Для мелких неответственных  печей это может быть термопара  с указывающим прибором, в большинстве  промышленных печей обязательно  автоматическое регулирование температуры. Оно осуществляется с помощью приборов, регистрирующих температуру печи. Аппаратура контроля, управления и регулирования одной температурной зоны электрической печи сопротивления сосредоточена на одном щите. Для включения и управления печами до 500 В обычно выпускают комплектные щиты и станции управления.

 Принципиальное отличие  их в том, что в щитах установлена  как коммутационная аппаратура, так и приборы теплового контроля, а в станциях – только коммутационная  аппаратура.

 Щиты выпускаются  на токи до 350 А, а станции  – до 630 А. В крупных печах  целесообразно сосредоточить щиты  всех зон для всех печей  в одном или нескольких контрольно  распределительных пунктах (КРП). Также в КРП могут быть установлены  силовые трансформаторы.

 В том случае, если  отдельные печки находятся далеко  друг от друга, щиты надо  устанавливать отдельно рядом  с конструкцией.

Электротермическая технология, основанная на использовании электротермических установок – электропечей и электронагревательных  устройств, применяется для получения новых высококачественных материалов, которые иным путём получить нельзя, а также для улучшения свойств уже существующих; для нагрева заготовок перед обработкой давлением, для термической обработки деталей и узлов машин, механизмов и элементов различных конструкций и других назначений. Применение электротехнологических процессов обеспечивает наименьшее по сравнению с другими процессами загрязнение окружающей среды; облегчает автоматизацию процессов, позволяет получить любое желательное распределение температур в рабочем пространстве и в том числе обеспечить высокую равномерность нагрева изделий и увеличивает производительность труда.

В электрических печах  сопротивления применяется автоматическое регулирование температурного режима, а также автоматическое управление работой различных механизмов печного агрегата (к примеру, циркуляция защитной атмосферы в печах обеспечивается вентиляторами). Повышение уровня автоматизации электрических печей сопротивления получило в настоящее время значительное развитие. Это связано, с одной стороны, с обработкой в них современных материалов, для которых требуются режимы со сложными графиками изменения температуры и высокой точностью её поддержания, непрерывным контролем и регулированием состава атмосферы в ходе процесса, с общим усложнением установок в связи с их агрегатированием, с другой – жёсткими требованиями к экономичности эксплуатации печей, а также стремлением к сокращению применения рабочей силы при обслуживании оборудования.

Основные недостатки техпроцесса нагрева металла в печах

1. Время нагрева стальных  заготовок в нагревательных печах  до заданной температуры (или  скорости нагрева) зависит, от  способа легированности стали,  способа укладки заготовок; физических  свойств металла (теплопроводности, теплоёмкости и температуропроводимости) и ряда других факторов, но даже при оптимальном сочетании выше перечисленных параметров период нагрева заготовок в печах является большим и одним из главных недостатком нагрева металла в печах.