книги из ГПНТБ / Алферьевская О.Л. Контактный нагрев

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

ПРИ ГОСПЛАНЕ СССР

УДК 621.365.39

О. Л. АЛФЕРЬЕВСКАЯ, Г. Н. КАГАН

КОНТАКТНЫЙ НАГРЕВ

в н и и э м

ОТДЕЛЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И НОРМАЛИЗАЦИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

КОНТАКТНЫЙ НАГРЕВ

Большой интерес, проявляемый в настоящее время к электроконтактному нагреву, объясняется тем, что он обладает следующими преимуществами по сравнению с другими спосо- -бами нагрева:

высокая скорость процесса нагрева, благодаря чему исклю­ чается окисление и не происходит обезуглероживания изде­ лий;

равномерный прогрев и высокий к. п. д., достигающий в действующих установках 80%, а в отдельных случаях 90%;

возможность встраивать установку в автоматическую ли­ нию;

экономия производственных площадей и простота обслу­ живания;

установки для контактного нагрева не требуют времени для предварительного разогрева.

При контактном нагреве в процессе нагрева изделие может находиться в неподвижном положении — статический нагрев и в движении — непрерывный нагрев. Явления, происходящие при этом различны, хотя в обоих случаях речь идет о мощно­ сти (р), напряжении (U) трансформатора, который позволяет нагреть изделие до температуры (tn).

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Тело одинаковое по всей длине (/) сечением (S) изменяет при нагреве с помощью пропускания по нему электрического

представленной на рис. 1. Кривая получена при решении урав­ нения баланса тепла в изделии

3

г* г,

Рис. I. Изменение мощности, погло­ щаемой изделием в зависимости от времени нагрева

постоянную времени Z0, т. е. время по прошествии которого из­

делие приняло бы свою конечную температуру, если бы не теп­ ловые потери

< 5 >

температуру изделия (в любой момент времени Z)

4

сопротивление изделия (в любой момент времени Z)

( 7)

В этих уравнениях АВСД — константы, зависящие от при­ нятых единиц,

F — поверхность изделия, излучающая тепловую энергию. Уравнение (7) можно применять только в тех случаях, ко­ гда температура выше нуля, так как уравнение (2) становится неправильным при t = 0°С. Если температура изделия равна нулю или близка к нему, то при определении сопротивления стали вместо удельного сопротивления, определенного по урав­ нению (2), подставляется удельное сопротивление стали, соот­

ветствующее данной температуре. Исходя из зависимости

определяется изменение по времени мощности, поглощаемой изделием, в зависимости от продолжительности нагрева, изме­ нение тепловых потерь (Р ), соответствующее потерям на излу­ чение, а также изменение к.п.д. нагрева изделия

Если необходимо получить полную картину процесса нагре­ ва изделия определенных размеров и свойств, нужно исследо­ вать характеристики его нагрева при различных напряжениях.

На рис-. 1 дополнительно даны характеристики t',

для напряжений U'< U также подсчитанных из выше приве­ денных уравнений.

Если изделие должно быть нагрето до ^ и имеются харак­ теристики нагрева, можно легко установить, при какой мощно­ сти и к.п.д. изделие воспримет эту температуру и через какой промежуток времени. Чем выше будет напряжение, тем короче продолжительность нагрева при лучшей производительности. Однако слишком сильно повышать напряжение нельзя, так как это вызывает возрастание мощности установки, что в свою оче­ редь затрудняет ее конструктивное решение.

Принятые при расчетах упрощения, основанные на том, что тепловые потери происходят только из-за излучения, допустимы в том случае, когда процесс нагрева изделия протекает при вы­ соких температурах, продолжительность нагрева мала, кроме того, если отношение длины изделия к его диаметру велико.

При условии, что длина изделия по отношению к его сече­ нию мала, потери в контактах из-за теплопроводности возра­ стают и по приведенным уравнениям вести расчет нельзя.

5

Рис. 2. Зависимость к п д. уста­ новки от отношения длины за­ готовки к квадрату ее диа­ метра

На рис. 2 показана зависимость к. п. д. установки для кон­

тактного нагрева от отношения---- . Из диаграммы видно, что d2

значительное уменьшение этого отношения (ниже 1,5) вызыва­ ет понижение к. п. д. установки.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НАГРЕА

Нагрев изделия, например, стальной ленты во время движе­ ния отличается от статистического нагрева. Температура ленты, начиная от первоначальной постепенно увеличивается и через некоторое время под роликом на входе ленты в установку стано­ вится равной tp и под роликом на выходе равна 4. В дальней­ шем нагрев ленты рассматривается в установившемся режиме, то есть когда температуры tp и 4 более не изменяются. Если в данном случае исходить из того же уравнения (1), но приме­ нить его не ко всей длине нагреваемого участка, а только к эле­ менту dx, то получим уравнение:

где А и А2, А 3 константы, зависящие от массы тела, I = 2,718.

Из уравнения (10) следует, что температура изделия меняет­ ся в зависимости от расстояния х , величины тока / и скорости движения изделия v. Если принять определенные значения для / и v и знать tp, то можно подсчитать распределение температу­ ры вдоль изделия. В свою очередь tp зависит от многих факто­ ров, в том числе от конструкции токоподводящих роликов, спо­ соба их охлаждения, поэтому не может быть определена зара­ нее.

Температуру изделия можно повысить путем снижения ско­ рости движения изделия или увеличением тока при возрастании напряжения.

Сопротивление изделия между роликами при определенных значениях tp и 4 постоянно и не зависит от скорости нагрева,

6

как при стационарном нагреве. Сопротивление нагретого отрез­ ка изделия определяется уравнением

Тепловые потери на разных участках нагреваемого изделия различны, а для всего изделия постоянны, следовательно и

ным. Наиболее благоприятны условия работы в том случае, когда применяются высокие скорости подачи изделия, так как количество энергии, подводимое к единице объема изделия, при этом не изменяется, а потери энергии из-за сокращения продол­ жительности нагрева уменьшаются. Однако чрезмерное увели­ чение скорости движения изделия также невозможно, так как потребуется значительное увеличение мощности для нагрева, что вызывает усложнение и удорожание установки.

Таким образом, наиболее благоприятные условия как для стационарного, так и непрерывного нагрева могут быть опреде­

лены аналитически, что особенно важно при разработке нагре­ вательных устройств большой мощности. Точность, полученная при этих расчетах, достаточна для правильного проектирова­ ния таких установок. Несовпадение между расчетом и получен­ ными эксплуатационными данными может быть легко устране­ но регулировкой напряжения и скорости подачи при непрерыв­ ном нагреве. Поэтому установки для контактного нагрева все­ гда работают с трансформаторами, имеющими регулируемое напряжение, а в установках для непрерывного нагрева необхо­ димо еще иметь и возможность регулирования привода ро­ ликов.

Несмотря на то, что контактный нагрев по сравнению с дру­ гими методами нагрева имеет явные преимущества, он не мо­ жет быть применен во всех случаях. Применять этот метод рекомендуется тогда, когда нагреваемое изделие имеет одина­ ковое сечение по всей длине и отношение его длины к диа­ метру сечения не слишком мало. Наилучшие результаты дости­ гаются при нагреве материала диаметром 20—70 мм и отноше­

нии —• > 3. d*

Применение контактного нагрева для движущихся изделий ограничивается случаями, когда длина изделия значительно больше расстояния между токоподводящими роликами. Следу­ ет учитывать, что начало ленты или проволоки не может быть нагрето правильно, так как температура нагретого участка ста­ билизируется только через какой-то промежуток времени.

7

ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО НАГРЕВА

Особенностью контактного нагрева является распределение тока по сечению нагреваемого изделия. На рис. 3 показано из менение температуры в 'процессе нагрева в зависимости от вре­ мени.

Сплошными линиями показана температура в сердцевине, а пунктирными — на поверхности изделия.

В начале нагрева температура на поверхности выше, чем сердцевины, что является следствием скинэффекта. В дальней­ шем происходит уравнивание температур, а в конце процесса, благодаря увеличивающемуся тепловому излучению поверхно­ сти, температура внутри изделия будет выше, чем на его по верхности, что создает идеальные условия для обработки изде лий прокаткой или ковкой.

Точка пересечения кривых внутренней и наружной темпера­ тур зависит от продолжительности нагрева — при более быст­ ром нагреве она будет смещена в сторону более высоких темпе-

ратур.

Фирма ВВС разработала двц исполнения блок-схемы уста­ новки электроконтактного нагрева (рис. 4). В варианте А уста­ новка состоит из высоковольтного распределительного’устрой­ ства, трансформатора, контактных устройств и измерительных приборов для контроля.

8

В качестве выключателя трансформатора применены высо­

полнены однофазными и ни одна из них не вызвала каких-либо неисправностей в высоковольтной сети.

а

Рис. 5. Схема - подключения установок контакт­ ного нагрева к трехфазной сети

быть использованы главным образом для длинных болванок. Преимущество такой схемы заключается в том, что нагрев осуществляется при помощи трехфазного трансформатора, который со стороны UHможет быть включен на звезду или тре­ угольник, а так как болванка делится на равные три отрезка, то и нагрузка будет равномерной. Но при такой схеме число контактов на болванке почти удваивается, а контакты являются наиболее сложной частью установки. Механическая часть по сравнению с однофазной установкой значительно усложняется, что особенно нежелательно в автоматических установках. Ухуд­ шается к.п.д., поэтому такие схемы находят применение только в тех случаях, когда нагреву подлежат болванки значительной длины.

По схеме в болванки включаются звездой, получается такая же простая конструкция, как и у однофазного агрегата. Эта схема позволяет осуществить соединения при небольшом реак­ тивном сопротивлении, улучшая экономичность и к.п.д.

9