Области применения электрических печей.

Электрические печи и электронагревательные устройства и приборы получили очень широкое распространение в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и быту. Нет такого производства, в котором в том или ином виде не применялся бы электронагрев. В целом около 15% всей потребляемой нашей промышленностью электрической энергии расходуется на цели электротермии. Хотя электрическая дуга была открыта В. В. Петровым ещё в 1803г., а первые дуговые печи (лабораторные) появились в середине XlX века, промышленное применение электропечей наступило лишь в начале ХХ века, когда появились дуговые печи косвенного действия. Стассано, дуговые печи прямого действия Эру, индукционные печи Кьеллина, а также первые нагревательные печи сопротивления и руднотермические печи. С 50-х годов прошлого столетия начали бурно развиваться вакуумные печи сопротивления, индукционные и дуговые, установки электрошлакового переплава, электронно-лучевые плавильные и нагревательные устройства, плазменные установки.

До последнего времени электронагрев широко применялся для расплавления металлов и сплавов, восстановления металлов из руд, для нагрева различных материалов, заготовок или изделий под пластическую деформацию или термическую обработку, для сушки материалов и изделий. В последние годы он получил широкое применение при получении особо чистых и высокотемпературных металлов и сплавов, и для нагрева полупроводников и диэлектриков.

При получении высоколегированных сталей необходима очистка от вредных примесей, неметаллических включений и газов – такое легче всего осуществляется в дуговой электропечи. В вакуумных дуговых печах происходит минимальный угар дорогих легирующих элементов и именно в них получают наиболее ценные, высоколегированные сорта сталей. Таким образом, одним из основных потребителей крупных электрических печей является металлургия стали. Промышленность ферросплавов также является одним из основных электротермических производств.

Точность выдержки заданного температурного режима, высокой степени нагрева изделий, его регулирование и равномерность нагрева можно обеспечить в электропечи чем в топливной.

Выработка ацетилена, получение синтетического каучука, удобрений требует большого количества карбида кальция, получаемого при восстановлении извести углеродом при 1900 – 2000 °С, а такие температуры можно иметь лишь в электрической печи. В абразивной промышленности также необходимы электропечи – выработка карборунда и электрического корунда. Большое распространение получает электронагрев в высокочастотном электрическом поле диэлектриков (керамика, пластмассы, пищевые продукты), а также сушки дерева, шерсти, литейных форм, лакокрасочных покрытий.

Часто электронагрев сам по себе является менее выгодным, чем нагрев в топливных печах, но в этом случае применение электропечей может быть оправдано существенными технологическими преимуществами.

Классификация электрических печей сопротивления.

Электрические печи сопротивления (ЭПС) делятся на печи:

- косвенного действия, в которых тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передаётся нагреваемым телам излучением, конвекцией, теплопроводностью;

- прямого действия, в которых ток протекает непосредственно через нагреваемые тела, тем самым обуславливается выделение в них джоулевого тепла.

Печи косвенного нагрева в свою очередь делятся на группы в зависимости от способа передачи тепла от нагревателей к изделиям:

1) передача тепла только излучением – вакуумные печи;

2) передача тепла преимущественно избирательным излучением – инфракрасный нагрев;

3) передача тепла излучением и конвекцией – высоко- и среднетемпературные печи;

4) передача тепла конвекцией и излучением – средне- и низкотемпературные печи;

5) передача тепла конвекцией и теплопроводностью – электрованны.

В печах прямого действия заготовки, стержни, прутки, проволоки непосредственно или через понизительный трансформатор включаются в питающую сеть и нагреваются выделяющимся в них джоулевым теплом. Это стекловаренные печи, электродные котлы, печи для графитирования и получения карборунда.

Материалы, используемые в электропечестроении.

Наличие в электропечах зон с высокой температурой требует, с одной стороны, материалов, способных работать при этих температурах, с другой - материалов, изолирующих эти зоны в тепловом отношении от остальных частей и окружающего пространства. К таким материалам относятся огнеупорные и теплоизоляционные материалы, жароупоры и материалы для нагревательных элементов.

Огнеупорные материалы.

К ним предъявляются следующие требования:

1. Достаточная огнеупорность.

2. Достаточная механическая прочность при высоких температурах.

3. Способность удерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температур (стойкость к термоударам).

4. Сопротивляемость химическим воздействиям при нормальных и высоких температурах.

5. Достаточно малая теплопроводность.

6. Малая теплоёмкость.

7. Малая электропроводность при низких и высоких температурах.

8. Дешевизна и доступность материала.

Огнеупорность материалов лежит в пределах 1580 – 1770 °С. Материалы с огнеупорностью, большей 1770 °С, называются высокоогнеупорными.

Динас и магнезит сохраняют прочность почти до температуры разрушения, другие же материалы теряют прочность задолго до наступления разрушения.

Способность выдерживать, не растрескиваясь, резкие колебания температуры особенно нужна в материалах, применяемых в печах, работающих периодически, а также в зонах с резкими колебаниями температуры.

Сопротивляемость химическим воздействиям является весьма важным свойством для огнеупоров. Необходимо, чтобы они не вступали в химические соединения с обрабатываемыми изделиями и с материалом нагревателей, а также с атмосферой печи.

Малая теплопроводность требуется для отделения нагретой камеры печи от окружающей среды (для уменьшения теплопотерь).

Малая теплоёмкость огнеупоров обеспечивает уменьшение аккумулированного футеровкой тепла.

Малая электропроводность огнеупоров необходима для того, что они могут применяться и как электрические изоляторы для нагревателей.

Дешевизна и доступность необходима потому, что огнеупоры являются массовыми материалами не только для изготовления, но и для ремонта ЭПС.

Шамотный кирпич изготавливается размером 113х65х230 мм, а также других специальных размеров и фасонов: кирпич для стен ЭПС, клин, различный пятовый кирпич, фасоны для нагревателей и т.п.

Магнезитовый и динасовый кирпичи выполняют размером 115х65х230 мм и разных фасонов.

Огнеупорные материалы применяются иногда и в виде порошка, огнеупорных бетонов, набивных масс и обмазок, а также в виде мелких готовых деталей – трубок, пучков, втулок и т.п., главным образом в ЭПС в качестве изоляторов нагревателей.

Основой огнеупоров являются три огнеупорных окисла-кремнезем (SiO₂ - огнеупорность 1715 °С), глинозем (Al₂O₃ - огнеупорность 2070 °С), окись магния – периклаз (MgO - огнеупорность 2800 °С). Особенно широко используется при изготовлении огнеупоров система SiO₂- Al₂O₃, получившая широкое распространение в электропечестроении.

А. Огнеупорные изделия.

Шамотные изделия – наиболее распространены в электропечестроении (содержание Al₂O₃ от 30 до 45%). Изготавливают из огнеупорных глин, смешанных с шамотом, чем больше Al₂O₃, тем выше огнеупорность. Непосредственно из сырой глины изготавливать изделия нельзя. Глину предварительно обжигают в комках, при 1300 °С и получают шамот. Этот шамот после дробления и помола смешивается с подсушенной глиной (пропорция ~ 50 на 50%), полученную смесь увлажняют, предварительно формуют, затем допрессовывают с Р= 2 – 4 МПа, сушат и обжигают в печи при 1350 – 1400 °С в течении трёх – пяти суток.

Для изготовления фасонных и ответственных изделий количество шамота увличивают до 80 - 85%, снижая количество глины.

Многошамотные изделия прессуют при Р= 30 – 50 МПа и получают изделия высокой плотности и прочности.

Высококачественные изделия изготавливают из плавленого муллита, получаемого расплавлением боксита в присутствии кокса и древесных опилок в дуговой электропечи. Полученный материал размельчают и смешивают с глиной, формируют и обжигают при 1500 – 1700 °С.

Динас – материал, содержащий 93 - 96% SiO₂, применяемый для выкладки футеровки дуговых и индукционных печей, работающих на кислом процессе.

Важная группа огнеупоров содержит периклаз (окись магния MgO). К этой группе относятся магнезитовые огнеу поры (состав – 85-95% MgCO₃ и CaO, SCO₂, F₂O₃, Al₂O₃). Магнезитовые кирпичи применяются главным образом для выкладки футеровки металлургических печей. В ЭПС – не применяются. Основные данные по огнеупорам см. в табл. П 5-1, [8].

Б. Огнеупорные растворы, бетоны, набивные массы и обмазки.

Связывающие огнеупорные растворы – мертели служат для заполнения швов между кирпичами огнеупорной кладки. При этом получаются тонкие швы, обладающие высокой огнеупорностью и высокой температурной деформацией под нагрузкой. Шамотные мертели представляют собой тонкомолотые смеси шамота с огнеупорной глиной, которые применяют для кладки печей с температурой 1450 – 1500 °С, класса I – при 1450 °С, класса II – при 350 – 1450°С и класса III – при менее 850 °С. Применение раствора высшего класса для более низких температур недопустимо, так как швы останутся неспёкшимися.

Динасовские огнеупорные растворы – это смеси из молотого кварцита, боя, динасового кирпича и огнеупорной глины, предназначенные для работы ниже 1000 °С и обеспечивающие твердение раствора на воздухе.

Магнезитовая кладка выкладывется всегда всухую, без раствора, с пересыпкой швов мелким металлургическим порошком.

Огнеупорные массы – бетон, набивные массы – служат для изготовления целых монолитных частей футеровок. Огнеупорные бетоны состоят из связующих – глиноземисого цемента или портландцемента и заполнителей – шамотного порошка, хромита или хромомагнезита, а для легковесных бетонов – молотый пористый шамот.

Защитные огнеупорные обмазки наносят на поверхность стен камеры печи, тем самым повышая стойкость кладки и её шлакоустойчивость.

В. Пористые огнеупоры.

В электропечестроении большое распространение получили искусственные материалы, обладающие за счёт пониженной механической прочности большим тепловым сопротивлением и меньшей средней плотностью, так называемые легковесы или пористые огнеупорные изделия. Применение их для ЭПС желательно, так как благодаря уменьшению массы огнеупорной кладки снижается аккумулируемое ею тепло при каждом разогреве, а также уменьшаются тепловые потери печи, в то же время механическая прочность всегда оказывается достаточной.

Придание материалу пористого строения сильно снижает его теплопроводность. Но тепло может передаваться не только теплопроводностью, внутри пор могут возникнуть конвективные токи; кроме того, в них тепло может передаваться от стенки к стенке излучением. Чтобы свести к минимуму оба этих фактора, необходимо выполнить поры замкнутыми и малыми (2-3 мм). В этом случае в них не смогут развиваться конвективные потоки, да и лучистая энергия встретит на своём пути множество поперечных стенок, играющих роль тепловых экранов.

Г. Способ выгорающих добавок.

В массу добавляют измельчённый древесный уголь, опилки, торф или пробку. При обжиге они выгорают, и на их месте образуются поры. Получаемые изделия устойчивы к термоударам.

Шамотные легковесы – выполняются трёх классов А, Б и В со средней плотностью 0,6 – 1,3 кг/дм³ и с пределом прочности 2 – 3,5 МПа.

Динасовый легковес – более прочный, выполняемый из молотого кварцита с антрацитом или коксиком со средней плотностью 1200 кг/м³.

Химлегковес – шамотный порошок смешивается с глиной, доломитом, серной кислотой и гипсом. Полученный раствор разливают по формам. При разложении долотомита выделяется углекислота, масса вспучивается, пузырьки углекислоты распределяются по всему объёму и обуславливают её пористую структуру.

Пенолегковес – способ заключается в смешивании шамота и глины с пенистой массой, образованной путём взбивания раствора из канифольного мыла. Полученная смесь вторично взбивается и образует пористую массу, укладываемую в формы.

Ультралегковес – средняя плотность 400 кг/м³, получаемые пеноспособом.

Основные данные легковесов даны в табл. П 5-2, [В].