Индукционные печи и установки

11) Теория индукционного нагрева. Устройства, в которых нагрев электропроводящих материалов осуществляется посредством теплового действия тока, индуктируемого в этих материалах, называются установками индукционного нагрева. Основным элементом таких установок является индуктор – катушка, создающая переменное магнитное поле. При внесении проводящего материала в переменное магнитное поле индуктора в материале индуктируется э.д.с. В установках прямого электронагрева обрабатываемое изделие зажимают в контактах и от специального понижающего трансформатора через заготовку пропускают ток. Прямой нагрев получил применение для нагрева труб с целью их отжига, для поверхностной закалки а также для нагрева металла перед обработкой его давлением.

12) Индукционные нагревательные установки. По характеру выделения тепла относятся к установкам прямого нагрева, следовательно обеспечивают более высокие значения плотности потока энергии и скорости нагрева, чем установки сопротивления косвенного нагрева.

Особенности:

1. для передачи эл энергии в нагреваемое тело не требуются контактные устройства, что упрощает конструкцию нагревателей, повышает компактность ремонтопригодность установок.

2. при малой глубине проникновения максимальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия, поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхности изделия и позволяет получить высокую твердость поверхности, сохраняя сердцевину относительно вязкой.

Увеличить мощность установки можно 2 способами:

1. Увеличением магнитного потока Ф. Т.к. повышение ндс индуктора ограничено числом витков и плотностью тока, то на низких частотах для уменьшения сопротивления магнитного потока на участках где он проходит не по нагреваемому материалу применяют стальной сердечник.

2. повышением частоты: индуктор высокой частоты выполняют без стального сердечника вследствие роста в нем потерь. Поэтому конструкции индукционных установок развиваются по двум направлениям: со стальным сердечником и без сердечника.

13) Тигельные печи выполняются на промышленную, среднюю и высокую частоту.( для выплавки стали, чугуна и цв металлов)

Преимущества:

-высокая концентрация энергии в расплавляемом металле.

-возможность получения металлов, достаточно чистых по химическому составу.

-низкая окисляемость.

-достаточная простота и компактность

-интенсивное перемешивание металла обусловлено воздействием электромагнитной индукции.

Недостатки:

-при средних и высоких частотах требуется специальный источник питания.

-относительно низкая температура шлаков.

14)индукционные печи со стальными сердечниками. Конструктивно она похожа на трансформатор, имеющий первичную обмотку W1 и вторичную обмотку W2 в виде замкнутого кольцевого канала, заполненного жидким металлом.

Такие печи применяются для плавки цветных металлов и сплавов. Питание печей производится от сети 50 Гц напряжением 220, 380 и 500 В. Достоинства этих печей состоят в простоте конструкции, малом угаре металла. Основной недостаток их – необходимость оставления «болота» (остаток расплавленного металла на дне кольцевого канала, необходимый для проведения следующих плавок).

18) Теория диэлектрического нагрева. Диэлектрический нагрев применяется при термической обработке, сушке диэлектриков и полупроводников, дерева, бумаги, ткани, картона. Для электронагрева таких материалов применяются установки, использующие способность полупроводников и диэлектриков нагреваться при воздействии переменного электрического поля. Сущность диэлектрического нагрева заключается в том, что материал перемещают между электродами, к которым подводится напряжение большой частоты от лампового генератора и при этом образуется конденсатор, в котором диэлектриком, разделяющим электроды, является нагреваемый материал. Нагрев возникает потому, что часть энергии электрического поля идет на смещение эл зарядов в атомах и молекулах, которое вызывается воздействием переменного эл поля. Такое колебательное движение эл зарядов в диэлектрике вызывает его нагрев.

19)В промышленности нагрев непроводящих материалов в электрическом высокочастотном поле широко распространен в процессах предвари­тельного подогрева пресс-материалов перед прессованием; сварки термопластических пленок; склейки изделий из древесины; сушки литейных стержней и форм; изготовления изделий из стеклопластиков и пенопластов; стерилизации пищевых продуктов при консервирова­нии, дезинфекции и дезинсекции книг, архивных материалов, зерна

20) Конструкция установки диэлектрического нагрева зависит от вы­полняемого технологического процесса. Так, установка ВЧД-16/13 используемая для нагрева различных диэлектриков и полупроводни­ковых материалов (сушки, склейки и др.), состоит из трех блоков:

Шкафа лампового генератора, пульта управления и высокочастотного переключателя, в котором размещается индуктивность нагрузочного контура. Блок высокочастотного переключателя позволяет поочередную работу с двумя технологическими устройствами. Такими устройствами могут быть камеры или конвейеры для сушки или нагрева различных материалов в электрическом поле. Нагрев производится между пластинами рабочего конденсатора.

Технологическое устройство подключается к ламповому генера­тору коаксиальными шинами из медных труб.

Установки для нагрева диэлектриков с ламповыми генераторами от индукционных отличаются тем, что в них нагреваемые материалы размещаются в емкостной ветви колебательного контура; кроме того, для нагрева материалов с малой диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла поглощения применяются более высокие частоты.

Рабочий конденсатор входит в нагрузочный колебательный контур и может быть представлен в виде емкости и активного сопротивления, которые определяются электрическими свойствами нагреваемого мате­риала и геометрическими размерами загрузки. Так как в процессе нагрева активное сопротивление потерь и реактивное сопротивление рабочего конденсатора изменяются, то изменяется эквивалентное сопротивление контура, а следовательно, и режим работы генератора, вследствие чего изменяется частота генератора и передаваемая в на­грузку мощность.

22)Электронно-лучевые установки рабо­тают на принципе преобразования в тепло энергии пучка ускоренных в электричес­ком поле электронов при взаимо­действии пучка с поверхностью нагревае­мого материала. Создание и уско­рение пучков электронов эффективно толь­ко в условиях высокого вакуума, поэтому ЭЛУ оснащают высокопроизводительными вакуумными агрегатами и тщательно гер­метизируют (разрежение в ответственных узлах достигает 10~* Па).

23)Электронно-лучевые плавильные печи и установки (ЭЛУ) применяют для плавки тугоплавких и химически активных металлов, сварки электронным лучом тугоплавких металлов, выращивания монокрис­таллов, металлизации и напыления, спекания, зонной очистки и термо­обработки тугоплавких металлов, размерной обработки твердых и тугоплавких металлов и др.

Поток е, созданный катодом, бомбардирует слиток 7, этим обеспечивая расплавление заготовки, металл которой стекает в кристаллизатор 11, и поддержание металла на поверхности слитка в жидком состоянии. Электронный луч позволяет создать концентрацию мощности на поверхности жидкого металла ванны до 1 МВт на см2.

25) Основным потребителем электроэнергии является электронная пушка, в которой имеются основные электрические цепи (цепь накала катода, цепь питания преобразователя постоянного тока высокого напряжения) и вспомогательные цепи (цепи питания систем фокуси­ровки, отклонения и фокусировки, отклонения и развертки электрон­ного пучка).

К основным цепям электропитания ЭЛУ следует отнести цени пи­тания системы получения, измерения и контроля вакуума. Суммар­ная электрическая мощность вакуумной системы нередко соизмерима с мощностью пушки. Система питания электронных пушек должна быть устойчива к возникающим в процессе плавки ухудшениям вакуума в рабочей камере, когда в межэлектродном пространстве пушки возникают элек­трические разряды высокого напряжения. Такие разряды могут вы­вести из строя источник питания. Системы защиты должны обеспечи­вать повторное включение ЭЛУ после восстановления вакуума в ка­мере пушки, причем перерыв питания должен быть минимальным, так как он приводит к структурным дефектам слитка переплавляемого металла и снижает к. п. д. установки.

2 6) Теория дугового разряда. Дуговой разряд – явление потери заряда батареей, гальваническим элементом или конденсатором через газы или вакуум. Электрическая дуга – один из видов самостоятельного разряда в газах или парах металла. Самостоятельный разряд возникает за счет энергии источника питания. Несамостоятельный разряд – в предварительно ионизированном промежутке. Образование заряженных частиц в газе происходит в результате различных процессов: поглощения частицами газа световых квантов (фотоионизация), термоионизация, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение. Пробой газообразного диэлектрика. Пробой в газах лавинообразен. Фотоионизированная энергия падения излучения должна быть больше работы выхода. Одновременно происходит деионизация (рекомбинация) положительных и отрицательных частиц. Получается высокоионизированный газ – плазма. Составные части электрической дуги: катодная область, столб дуги, анодная область. Протяженность катодной области 10(-6) см, анодной – 10(-4) см. Катодное пятно – основание дуги на поверхности катода, является источником эмиссии первичных электронов. Температура катодного пятна повышается с повышением температуры плавления металла катода. В столбе дуги непрерывно теряются заряженные частицы вследствие рекомбинации и других факторов в окружающей среде. Бомбардировка электронов – энергия, получаемая анодом, расходуемая на плавление и испарение металла анода.

27) С повышением тока проводимость столба дуги повышается, следовательно напряжение, необходимое для поддержания дуги, падает. При больших токах увеличение проводимости столба дуги обратно пропорционально току, а напряжение на дуге остается примерно постоянным. Статическая характеристика соответствует медленному процессу изменения тока. При быстрых изменениях тока ( от I1до I2) кривая изменения напряжения отклоняется от статической характеристики вследствие того, что новое тепловое состояние столба дуги наступает не мгновенно, а с задержкой во времени. В первый момент времени I2 соответствует напряжение дуги, обозначенное точкой 2’ и лишь через некоторое время устанавливается напряжение, соответствующее точке 2. Статические характеристики дуги. Отрезки кривых 1-2’ и 2-1’ – динамические характеристики дуги. Существование дуги переменного тока осложняется периодическим изменением напряжения сети с перебросом катодного пятна с одного электрода на другой в зависимости от полярности.

U ист<Uз, дуга не может загореться зажигание дуги в т. А.

Горение дуги в «-» полуволне Uист. Подбором Lможно получить такой Фи, что при уменьшении Uист ниже Uгорения дуги эдс самоиндукции складывается с Uист может обеспечить U, достаточное для поддержания горения дуги.

28)ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ

Дуговыми называют электротермические установки, источником тепла в которых является дуга, свободно горящая в атмосфере воздуха, в газовой среде или в вакууме.

Электродуговой нагрев широко используется для плавки высоко­качественных сталей, цветных, реакционно-активных металлов, туго­плавких металлов, производства ферросплавов и плавленых огнеупо­ров, для получения некоторых продуктов в химической промышлен­ности (желтого фосфора).

Дуговые печи бывают прямого, косвенного и смешанного на­грева.

Соотношение энергии, выделяемой в дуговом разряде и в мате­риале, может изменяться в зависимости от технологического процесса в широких пределах.

Электродуговые установки характеризуются большими значениями мощностей при достаточно низком напряжении на дуге. Так, сила переменного тока в дуге сталеплавильных печей достигает десятков тысяч ампер при напряжении 100—600 В. Рудовосстановительные печи работают также на переменном токе; вторичное напряжение для мощных печей составляет около 250 В, сила тока — 100 кА и выше. Вакуумные дуговые печи работают на постоянном токе; при напряжении на дуге 50—100 В. Сила тока достигает 75000 А. Плазменные плавильные установки работают на постоянном или переменном токе; напряжение дуги 100—500 В, сила тока — тысячи ампер.

Большие мощности при низком напряжении на преобразователе— дуге требуют применения специальных трансформаторов. Поэтому каждая электродуговая установка состоит из двух частей: преобразо­вателя электрической энергии с параметров питающей сети на техно­логические параметры печи; собственно печи, где происходит преобра­зование электрической энергии в тепло.

ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) предназначены для выплавки стали из металлического лома (скрапа) или из металлических окаты­шей. В них выплавляют высоколегированную качественную сталь и сплавы, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные, инструмен­тальные, а также конструкционные стали ответственного назначения. В последние годы значительно увеличиваются мощность и производи­тельность дуговых сталеплавильных печей, что позволяет использо­вать их для выплавки сталей мартеновского и конверторного сорта­мента.

Основным металлургическим параметром печи является ее емкость. Под номинальной емкостью печи периодического действия понимают массу жидкого металла в тоннах, размещающегося во внутреннем объеме ванны с учетом шлака.

Основу конструкции дуговой сталеплавильной печи составляют еле дующие элементы (рис. 51): 1) футерованный кожух и рабочим окном _и сливным носком; 2) футерованный свод 5 с отверстиями для прохода электродов; Л) электрододержатели с токоподводом и устройствами для зажима электродов; 4) устройства, обеспечивающие возможность движения электрододержателей; 5) механизмы перемещения электро­дов; 6) механизм наклона, обеспечивающий возможность слива ме­талла из ванны через сливной носок и скачивания шлака через рабо­чее окно; 7) механизм поворота кожуха вокруг вертикальной оси; 8) механизм подъема и опускания дверцы рабочего окна; 9) механизм раскрытия печи перед загрузкой в нее шихты сверху. Кроме того, в зависимости от мощности и требований технологии на печи могут быть устройства для вращения ванны, электромагнитного перемеще­ния металла и т. п.