116. Расчет нагревательных элементов печей сопротивления

Тепловой расчёт проводят с целью определения мощности печи и мощностей её тепловых зон, а также оптимального размещения нагреваемых изделий, оптимальных размеров печи. При проектировании ЭПС периодическою действия обычно задают либо её единовременную загрузку, либо часовуюпроизводительность. Конструируют печную камеру, определяют её размеры и параметры, учитывая следующие условия.

> Внутренние размеры камеры печи должны быть по возможности малы и соответствовать размерам загрузки; наличие вредного, неиспользованного пространства в камере печи приводит к увеличению её внешних размеров и тепловых потерь. С другой стороны, внутренние размеры камеры печи должны быть таковы, чтобы садку было удобно загружать и вынимать из печи и в камере мог разместиться рабочий, производящий ремонт печи.

> Внешние габариты печи определяются её внутренними размерами и толщиной кладки. Кладка должна обеспечивать низкую температуру кожуха печи (не выше 60 °С при температуре окружающего воздуха 20 °С) и, следовательно, малые тепловые потери печи.

> Расположение нагревательных элементов в печи должно определяться в основном технологическими требованиями. В печах, где требуется высокая равномерность нагрева, желательно применять расположение нагревательных элементов на своде, в поду и на боковых стенках печной камеры, а иногда на задней стенке и дверце печи. Расположение нагревательных элементов в печи должно соответствовать расположению в ней изделий для того, чтобы обеспечить лучшие условия теплопередачи. В крупных печах целесообразно создавать несколько тепловых зон. Разбивка печи на тепловые зоны значительно улучшает управление печью и облегчает поддержание в ней равномерной температуры, однако при этом одновременно возрастает стоимость электрооборудования.

Для теплового расчета должен быть задан тепловой цикл работы печи. Несмотря на то, что для каждого конкретного технологического процесса рассчитывают индивидуальный цикл работы печи, можно выделить три обобщенных вида цикла (рис. 6), где tН, tВ, t0, tВ.З, - время соответственно нагрева, выдержки, охлаждения, простоя при выгрузке и загрузке; t'И, t"И, t'"И - температура садки соответственно в начале нагрева, в конце нагрева и после охлаждения). Первый вид цикла (рис.6а) используют для нагрева тонкостенных изделий с высоким коэффициентом теплопроводности, второй (рис. 6б) - для закалки, отпуска, нормализации, термохимической обработки, третий (рис. 6в) - для отжига металлов, керамики, процесса спекания, получения монокристаллов. Для дальнейшего рассмотрения принимаем третий вид цикла, т. к. первые два могут быть получены из него упрощением.

Много картинок, сделал скрин.

117. Вакуумные дуговые печи

Дуговая вакуумная печь, электрическая печь для плавки металлов в вакууме энергией электрической дуги. Дуговая вакуумная печь — газоразрядная система, где дуга существует на парах переплавляемого металла.

Для повышения качества металла, его переплавляют при низком давлении в ВДП в результате чего в металле уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для выплавки слитков высокореакционных металлов (титана, ниобия, вольфрама, циркония, тантала, молибдена), а также для переплава специальных высококачественных сталей, в результате чего они не только очищаются, но и приобретают более плотную структуру. Рабочее давление в камере печи может составлять 1,0-0,001 Па в зависимости от требований к получаемому металлу. С помощью современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 50-60 т.

В качестве материалов электродов в ВДП используются различные продукты металлургического передела. Так, при плавке титана круглые электроды изготовляют прессованием титановой губки. При переплавке вольфрама, молибдена и ниобия электроды изготовляют из штабиков путем стыковой сварки и сборки электродов-пакетов. При переплавке сталей в качестве электродов применяют прокат или специальные штанги, полученные методом непрерывной разливки или ковки. В некоторых установках применяют нерасходуемые электроды, а переплавляемый металл кусками подается в кристаллизатор. Каждый из этих способов, в свою очередь, может быть осуществлен по двум схемам: плавка в глухой кристаллизатор (рис. 1, а) и плавка с вытягиванием слитка (рис. 1, б).

Рис. 1. Схема ВДП с глухим кристаллизатором (а) и с вытягиванием

слитка (б):

электрод;

холодильник;

вакуумное уплотнение штока;

тянущий шток;

поддон:

слиток;

кристаллизатор;

соленоид

Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена вакуумная система. Электрод – 1 подвешен к подвижному штоку. Шток проходит через вакуумное уплотнение, расположенное в верхней части камеры. К нижней части рабочей камеры присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор – 7 с рубашкой водяного охлаждения. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положительный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком (рис. 1, б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение – 3 шток – 4 для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон – 5 и по мере роста слитка – 6 опускается вниз. Процесс вакуумной плавки начинается с создания вакуума в рабочей камере печи и опускания электрода до крайнего нижнего положения. После короткого замыкания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга. Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется и металл небольшими каплями перетекает на слиток.

Объем кристаллизатора и размеры электрода, как правило, согласованы. В конце плавки весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачиваются вакуумной системой. Такая печь называется печью с расходуемым электродом.

В практике широко применяются ВДП с расходуемыми электродами, поскольку при работе с нерасходуемыми есть опасность загрязнения переплавляемого металла материалом электрода.

Основные элементы печи. К ним относятся: рабочая камера, шток-электрододержатель, расходуемые электроды, кристаллизатор, поддон, соленоид.

Рабочая камера представляет собой водоохлаждаемую сварную конструкцию цилиндрической формы. В верхней части рабочей камеры установлены подсветы и смотровые окна, позволяющие наблюдать за горением дуги и наплавлением слитка. Для дистанционного наблюдения за ходом процесса к гляделкам пристраиваются специальные перископы, проектирующие изображение рабочей зоны на экран. К нижнему фланцу камеры прикреплен кристаллизатор.

Шток - электрододержатель служит для закрепления и перемещения расходуемого электрода и подвода к нему тока. Он состоит из нескольких коаксиально расположенных труб, причем медная наружная труба является токоведущей. Внутренние стальные трубы обеспечивают механическую прочность конструкции штока. Между трубами имеются полости для прохода охлаждающей воды.

Расходуемые электроды могут быть прикреплены к штоку различными способами. Они могут быть приварены к огарку, который крепят к хвостовику штока с помощью резьбы, могут удерживаться с помощью специального клиновидного или цангового зажима. Перемещение штока и расходуемого электрода обеспечивается электрическим или гидравлическим приводом.

Кристаллизатор состоит из внутренней гильзы и наружного стального немагнитного кожуха. Между ними имеется полость для охлаждающей воды. Гильзу изготовляют из материала с хорошей теплопроводностью, не смачивающегося жидким металлом.

Поддон закрывает низ кристаллизатора, входит внутрь или примыкает к торцу его гильзы. Основа поддона - массивный медный диск, снабженный стальной рубашкой водяного охлаждения. Для предотвращения возможного прожога медного диска электрической дугой в начале плавки на него укладывают темплет из переплавляемого металла толщиной 50-100 мм.

Соленоид устанавливают на боковой поверхности кристаллизатора. Он создает аксиальное с ним магнитное поле. Взаимодействие поля соленоида с током дуги и током, растекающимся в ванне расплавленного металла, приводит к повышению напряжения на дуге (для стали с 19-20,5 до 24-25 В), предотвращает переброски дуги на стенку кристаллизатора, стабилизирует дугу. При этом возникает вращение жидкого металла в ванне, что улучшает структуру переплавляемого металла. Питание соленоида производится от полупроводниковых выпрямителей , позволяющих при необходимости производить резкое увеличение и реверсирование тока намагничивания.

Для литья в вакууме существуют специальные ВДП, которые подразделяют на две группы: печи с разливкой при горящей дуге и печи с разливкой после отключения дуги.

Рис. 2. Схема вакуумной дуговой печи для фасонного литья:

1 – тигель;

2 – электрод;

3 – камера;

4 – форма.

Такая печь (рис. 2) состоит из камеры – 3, в которой размещены собственно плавильный агрегат, включающий тигель – 1, и электрод – 2. Расплавленный металл сливается в форму – 4.

Особенности дугового разряда в ВДП.

Особые свойства дугового разряда в ВДП обусловлены тем, что электродная система образуется концентрически расположенными стержневым электродом и кристаллизатором. При этом электрическая дуга горит в парах переплавляемого металла при низком давлении в камере ВДП в присутствии осевого магнитного поля.