14.1. Основні електротермічні закони

В електротермічних процесах електрична енергія використовується переважно для виробництва теплоти, під впливом якого відбуваються хімічні реакції. Але у багатьох випадках одночасно відбуваються та електрохімічні процеси, як, наприклад, при виробництві рідкісних, легких, лужних і лужноземельних металів.

Електротермічні розрахунки провадять на основі закону Джоуля, за яким кількість виділеної змінним струмом теплоти визначається рівнянням:

Q = 0.293 Ul соs φ,

де: U – напруга, В; I – сила струму, А; – час, с; cos φ – коефіцієнт потужності.

Кількість теплоти, що виділяється у провіднику, залежить від електричного опору провідника R (Ом), який обчислюють за законом Ома:

Потужність печі W (Вт) визначають за таким рівнянням:

.

Чим менший кут зсуву фази φ, тим ближче до одиниці значення cos φ і тим вищий ступінь перетворення електричної енергії у теплову.

Електричні печі мають ряд істотних переваг: можливість досягати високих температур у малому об'ємі печі, велику швидкість нагрівання, виділення теплоти у самому матеріалі, що підлягає нагріванню, відсутність забруднення матеріалу продуктами горіння палива, найширша можливість автоматизації процесу, високий к. к. д. установок.

Електричні печі поділяються на печі опору, дугові, комбіновані та індукційні.

У печах опору прямого нагрівання (рис. 14.1, а) провідником струму є матеріал, який підлягає обробці і має великий опір.

Рис. 14.1. Печі опору: а – прямого нагрівання; б – непрямого нагрівання

У печах опору непрямого нагрівання (рис. 14.1, б) струм проходить через дротяний, стрічковий або стрижневий провідник з великим опором і виділена при цьому теплота передається матеріалу теплопередачею або випромінюванням.

У дугових печах прямого нагріву електрична дуга утворюється між електродами у масі самого матеріалу, що нагрівається.

У дугових печах непрямого нагріву (рис. 14.2) електрична дуга утворюється між двома електродами і матеріал нагрівається внаслідок теплоти випромінювання. У комбінованих печах (рис. 14.3) нагрівання матеріалу здійснюється завдяки утворенню електричної дуги і внаслідок проходження електричного струму через твердий або розплавлений матеріал. Це трифазні печі змінного струму, які за своєю конструкцією, формою перетину і відповідним розміщенням електродів поділяються на круглі, еліптичні і прямокутні. У великих електричних печах електроди автоматично опускаються у міру згоряння і безперервно нарощуються без припинення роботи печі.

Електротермічні процеси широко використовують у металургійній промисловості при виробництві спеціальних сталей, феросплавів, кольорових і рідкісних металів, для добування фосфору, кальцію ціанаміду, кальцію карбіду та інших карбідів, при виплавлянні кварцового скла, кислото- і вогнетривких матеріалів та ін. Особливого значення набувають електротермічні процеси у металургії рідкісних металів для виробництва високочистих металів і сплавів, а також у технології органічного синтезу.

Рис. 14.2. Дугова піч непрямого нагрівання: 1 – кожух; 2 – електроди; 3 – матеріал, що нагрівається; 4 – тепло­ізоляція	Рис. 14.3. Комбінована електрична піч: 1 – труби для відсмоктування газів; 2 – отвори для завантаження матеріалу; 3 – склепіння; 4 – електроди; 5 – електродотримачі; 6 – стальний кожух