Теплогенерация в рабочем теле, помещенном в переменное электромагнитное поле

В этом случае, теплогенерация происходит в результате протекания индуктируемых в рабочем теле переменных вихревых токов. Такой вид теплогенерации также называют индукционным нагревом. Количество тепла, выделяющееся при этом, пропорционально квадрату плотно­сти тока на данном участке проводника в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

При индукционном нагреве наблюдается поверхностный эффект т. е. явление при котором вихревые токи под дей­ствием магнитного поля оттесняются к поверхности проводника, при этом плотность тока на его поверхности оказывается выше, чем в середине. Глубину проникновения магнитного потока в металл (толщину нагреваемого слоя) можно приблизительно определить по формуле Штейнметца:

м,

где – удельное электрическое сопротивление, ; ­ – магнитная проницаемость материала; f – частота, Гц.

При анализе данной формулы можно заметить, что глубина проникновения возрастает с уве­личением удельного электрического сопротивления, уменьшается с увеличением частоты и относительной магнитной проницаемости материала. Это дает возможность регулировать толщину нагреваемого слоя. При по­вышении частоты (до 1000 Гц и более) можно получить тон­кий нагретый слой для поверхностной термической обработки, а используя ток про­мышленной частоты (50 Гц), можно обеспечить сквозной прог­рев изделий.

Существуют два способа увеличить количества тепла в рабочем теле при индукционном нагреве:

1) уменьшить сопротивление магнитному потоку там, где он не проходит по нагреваемому материалу, что достигается применением металлических магнитопроводов (сердечников);

2) увеличить частоту, что достигается при питании индуктора от источника тока высокой частоты.

Эти два способа предопределили создание индукционных печей со стальным сердечником, работающих на токе промыш­ленной частоты и печей без сердечника, питаемых обычно от источников тока высокой частоты.

При индукционном нагреве стали ее электротехнические параметры претерпевают значительные изменения в процессе нагрева. При возрастании удельного сопротивления и уменьшении магнитной проницаемости по ходу нагрева изменяется глубина прони­кновения тока. При достижении определенной точки магнитная прони­цаемость уменьшается в 50–100 раз и становится равной еди­нице. В этот период времени нагрева происходит резкое увеличение глубины проникновения и общее уменьшение поглощаемой мощ­ности в нагреваемом теле. Когда температура по всему сечению на­греваемого тела достигает температуры магнитных превращений или превысит ее, неравномерность нагрева быстро сглажи­вается и происходит сквозной прогрев тела.

8.2. Печи сопротивления

Нагревательные печи сопротивления можно разделить на две группы:

1) печи сопротивления прямого действия, в которых проводником служит нагреваемое изделие и в них от­сутствует внешний (по отношению к металлу) теплообмен;

2) печи сопротивления косвенного действия, в которых проводником, включен­ным в электрическую цепь, является специальный нагреватель­ный элемент, от которого тепло передается к поверхности на­греваемого тела.

Печи сопротивления прямого и косвенно­го действия нашли применение в качестве нагревательных уст­ройств в прокатных и термических цехах.

Печи сопротивления прямого действия. Мощность нагрева в зависимости от физических свойств материала и геометрических размеров изделия при данном напряжении, можно определить по формуле:

Вт,

где – напряжение, В; – удельная проводимость, ; s – сечение нагреваемого изделия, ; l – длина нагреваемого изделия, м.

Электропроводность проводников изменяется в зависимости от температуры нагрева. В связи с этим, для поддержания заданной мощ­ности или для изменения ее в соответствии с установленным ре­жимом нагрева необходимо изменять подво­димое напряжение.

Обычно отношение достаточно велико (считается, что применение прямого нагрева сопротивлением целе­сообразно, если длина заготовки превышает ее толщину в 10 раз и более). В этом случае, необходимые мощности в нагреваемом изделии выделяют при больших токах (тысячи ампер), но при сравнительно низких напряжениях (единицы вольт). Поэтому в установках прямого действия применяют переменный ток с питанием через однофазные понижающие трансформаторы, которые обычно встраивают в корпус установки.

Следует также учитывать, что в установках прямого действия равномерный нагрев по длине возможен только при одинаковом сечении и его однородном составе изделия. Поэтому в черной металлургии установки прямого действия применяют в качестве нагревательных или термических печей в поточных линиях для нагрева болванок, прутков, труб, ленты и проволоки.

Установки прямого действия имеют следующие достоинства:

1) так как тепло не подводится к нагреваемому телу извне, а выделяется в нем, разность температур по сечению в процессе нагрева мала и опасность термических напряжений отсутствует;

2) очень малое время нагрева заготовки, в результате чего практически отсутствует обезуглероживание и рост зерна, потери металла с окалиной малы;

3) высокая производительность;

3) высокие температуры нагрева;

4) высокий тепловой к. п. д. (до 0,9–0,95), низкий удельный расход электрической энергии;

5) нагревательная установка безынерцион­на и может быть включена в любое время;

6) малые тепловые потери позво­ляют обойтись без футеровки, что значительно упрощает кон­струкцию;

7) хорошее соответствие требованиям автоматического управления;

8) позволяют снизить трудоемкость и улучшить условия труда.

Основным недостатком прямого нагрева является трудность создания надежных конструкций контактов, которые могли бы хорошо работать при больших значениях силы тока. Имеются также некоторые трудности с измерением и автомати­ческим регулированием температуры нагреваемых заготовок.

Установки прямого действия используют также в куз­нечных цехах для нагрева перед ковкой заготовок удлиненной формы.

Печи сопротивления косвенного действия. Печи сопротивления косвенного действия получили широкое распространение для термообработки металла, в первую очередь для отжига холоднокатаного листа, ленты и проволоки в защитных и специальных атмосферах. Это объясняется тем, что процессы термообработки имеют сравнительно более низкий температурный уровень нагрева и позволяют использовать металлические нагревательные элементы.

Печи сопротивления косвенного действия клас­сифицируют аналогично топливным печам:

1) по харак­теру работы на печи периодического действия и печи непрерывного действия;

2) по атмосфере рабочего пространства на печи с окисли­тельной (воздушной) средой, с контролируемыми атмосферами, вакуумные и компрессионные;

3) по рабочей температуре на печи низкотемпературные (до 350–650 ⁰С), среднетемпературные (до 1000 ⁰С) и высокотемпературные (свыше 1000 ⁰С);

4) по конструктивным признакам печи: периодического действия (камерные, шахтные, колпаковые, элеваторные с подъемным подом, камерные с выдвижным подом, муфельные, колодцы, плавильные); печи непрерывного действия (конвейерные, барабанные, карусельные, ручьевые, протяжные, толкательные, с рольганговым подом, с шага­ющим подом и т. п.).

Различают следующие режимы работы печей сопротивления косвенного дей­ствия:

1. длительный режим, печь работает круглосуточно, футеровка достигает установившейся температуры;

2. периодический режим, печь отключают до одного раза в сутки, но футеровка достигает установившейся температуры;

3. циклический режим, печь включают и отклю­чают часто, футеровка не достигает установившейся температуры ни в процессе нагрева, ни в процессе охлаждения;

4. скоростной режим, здесь температура рабочего пространства печи более чем на 50 ⁰С превышает температуру нагрева заготовки в течение всего периода нагрева.

Печи сопротивления косвенного действия характеризуются установленной мощ­ностью, мощностью холостого хода, размерами рабочего пространства, рабочей температурой, производительностью и разно­видностью печной атмосферы.

В печах сопротивления косвенного действия проводником тока служит специальный нагревательный элемент и при прохождении тока в нем происходит выделение тепловой энергии. Передача тепла от нагревательного элемента к металлу происходит по законам теплопе­редачи.

Материал, применяемый для изготовления нагревательных элементов должен обладать следующими свойствами:

1. высоким удельным электросопротивлением ( , );

2. известной (желательно, линейной) зависимостью от температуры;

3. малым температурным коэффи­циентом удельного электросопротивления ( , );

4. высокими тем­пературой плавления и жаростойкостью;

5. достаточной жаропроч­ностью, отсутствием фазовых превращений при нагреве и охлаж­дении в процессе эксплуатации;

6. низкой стоимостью.

Материалы, используемые для изготовления нагревательных элементов делят на металлические и неме­таллические.

Металлические изготов­ляют из сплавов сопротивления (никельхромовые, железохромоникелевые и железохромоалюминиевые) и тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, тантал). Их используют в виде холоднотянутой проволоки (диаметром 3–7 мм) и горяче­катаной (диаметром 8–10 мм) или в виде ленты (сечением от 1 10 до 3 30 ). Из проволоки нагреватели изготавливают в виде цилиндри­ческих спиралей или зигзагов, из ленты в виде зигзаго­в.

При изготовлении неметаллических нагревателей используют карбид кремния, дисилицид молибдена, графит, угольную крошку (“криптол”). Если нагревательный элемент изготавливают в виде жидких сред, то используют расплавленные соли, шлаки и т. п.

Конструкции печей сопротивления косвенного действия рассмотрим на примере электрического нагревательного колодца и колпаковой печи для высокотемпературного отжига листов трансфор­маторной стали.