Тема 6.2. Електрообладнання печей опору.

Піч опору – це електротермічна установка, яка призначена для перетворен - ня електричної енергії в теплову для забезпечення технологічних процесів, які пов’язані з нагрівом матеріалів і виробів.

 

1. Класифікація і будова печей опору.

А) по способу завантаження:

- садочні (періодичної дії);

- методичні (безперервної дії).

В печі періодичної дії після завантаження виріб не змінює свого положення протягом всього часу теплової обробки до моменту вивантаження.

В печі безперервної дії вироби для нагріву завантажуються з однієї сторони печі, поступово переміщуються по довжині камери, прогріваються до заданої температури і видаються з другого боку печі.

Б) по конструкції (рис.6.1.):

- камерна піч завантажується і розвантажується через отвір в передній стіні, який закривається дверцятами;

- шахтна піч являє собою шахту, яка закривається зверху кришкою;

- ковпакова піч складається з поду і знімного корпусу (ковпака) з нагріваль -ними елементами;

- піч з висувним подом;

- штовхальна піч, в якій вироби проштовхуються штовхачем через завантажувальні і розвантажувальні дверцята;

- конвеєрна піч має транспортуючий механізм (ланцюговий конвеєр);             

- рольгангова піч, в якій вироби перекочуються по роликах (рольганговий конвеєр);

- барабанна піч має всередині жароміцний барабан (муфель) зі спіраллю Архімеду;

- соляна електродна ванна наповнюється сіллю, в якій знаходяться нагрівачі

для розплавлення солі. Від робочої частини відділена перегородкою (в інших вироби занурюються безпосередньо в ванну).

Перші чотири види конструкцій відносяться до садочних, наступні чотири –  до методичних.

В) по робочій температурі:

- низькотемпературні 600÷700°С;

- середньотемпературні 600-700 до 1200÷1250°С;

- високотемпературні 1250÷2500°С;

- сушильні ≈ 200°С.

Сушильні печі призначені для сушки виробів після фарбування, сушки ізоляції обмоток і т.д. Конструктивно вони, як правило, поєднуються з вентиляційною установкою для видалення парив вологи або розчинників.

Деякі печі опору з метою рівномірного нагріву виробів мають декілька температурних зон нагріву.

Види конструкцій електропечей опору надані на рис.6.1, 6.2, 6.3.

 

 

  

 

 

                                                                   Рис.6.1. Види конструкцій печей опору.

                                                                 а) - камерна піч;  б) - шахтна піч; 

                                                                 в) - ковпакова піч; г) - піч з висувним                       

                                                                             подом; д) - штовхальна піч; е) - конвеєрна     

                                                                             піч; ж) - рольгангова піч; з) - барабанна  

                                                                 піч; і) - соляна електродна ванна.

 

                                                                                   

                                                                            

                                                                                

                                                                                   

 

 

 

 

  Рис.6.2. Середньотемпературна

             камерна піч.

1 – дверцята; 2 – механізм підйому;                         

3 – нагрівальні елементи; 4 – кожух;                      Рис.6.3. Сушильна піч.

5 – вогнетривкий кожух; 6 – вогнетривкі               1 – циркуляційний повітропровід;

 захисні плити; 7 – пристрій полум’яної                 2 – електрокалорифер; 3 – вентилятор;

 завіси.                                                                       4 – візок для виробів.

 2. Нагрівальні елементи печей опору.

Для електропечей опору використовуються нагрівачі, які виготовляються з жароміцних матеріалів, стійких до окислення киснем повітря при високих температурах, з високим питомим опором і малим температурним коефіці -

єнтом опору і стійких до старіння.

Найбільше розповсюдження отримали дротяні та стрічкові нагрівачі, які виготовляються у вигляді секцій з хромонікелевих та хромоалюмінієвих сплавів.

Дротяні нагрівачі виконуються зигзагоподібними і спіральними.

Стрічкові нагрівачі виконуються зигзагоподібними.

В низькотемпературних печах спіральні нагрівачі підвішують на керамічних

трубках або на поличках футеровки.

  В середньотемпературних печах  спіральні нагрівачі укладають в пазах футеровки. Дротяні нагрівачі кріплять на спеціальних гачках або опорах.

Для дротяних та стрічкових звичайно використовують такі сплави нагріва - чів: залізохромоалюмінієві Х13Ю4 – для низькотемпературних печей, ОХ23Ю5А и ОХ27Ю5А – для печей з температурами до 1000 °С; залізохромонікелеві (ніхроми): Х23Н18, Х25Н20 – для печей з температу -рами до 1050°С, Х15Н60 и Х15Н80Т – для печей з температурами до 1150 °С.

Нагрівачі високотемпературних печей виготовляють з вольфраму, молібдену, ніобію, танталу або графіту.   

В табл. 6.1. приведені рекомендовані температури нагрівачів з цих сплавів. В області, яка обмежена рекомендованими температурами, термін служби нагрівачів складає не менше 10 000 год. Під безперервним режимом в табл. 6.1. розуміється безперервна робота протягом доби (методичні печі), під перервним – робота з включенням і відключенням печі декілька разів на добу з суттєвим охолодженням її у відключеному стані.

Матеріал нагрівача	Рекомендована температура, °С       для режиму
	безперервного	перервного
Х20Н80 і Х20Н80Т Х15Н60 Х25Н20, Х23Н18 Х13Ю4 ОХ23Ю5А ОХ27Ю5А Карборунд Дісиліцид молібдену	1050       950       850  750     1050     1150     1350     1550	1060      900      800      650    1000    1100    1300    1500

Таблиця 6.1. Рекомендовані температури нагрівачів печей опору.

   Примітка. Дані для металевих нагрівачів з діаметром дроту d = 4 мм або товщиною стрічки a = 2 мм. При d = 7÷10 мм і а = 3мм значення температур можна підвищити на 50 °С.

На рис.6.4. приведені конструкції дротяних і стрічкових нагрівачів.

 

                                                                        Рис.6.4. Конструкції дротяних

                                                                                                    і стрічкових нагрівачів.

 

                                                                                            а) – зигзагоподібний дротяний;

                                                                                           б) – зигзагоподібний стрічковий;

                                                                                            в) – спіральний на керамічних 

                                                                                                  втулках;

                                                                                            г) – спіральний на керамічних    

                                                                                                  трубках;

                                                                                            д) –спіральний в пазах футеровки.

 

                                                                                             1 – фасонна керамічна втулка;

                                                                                             2 – керамічна трубка;

                                                                                             3 – паз футеровки.

 

В печах с електрокалориферами і соляних ваннах (при температурах до 600 °С) часто використовують трубчаті електронагрівачі (ТЕН). Нагрівач типу ТЕН (рис.6.5.) складається з металевої трубки 1, по оси якої розташована ніхромова спіраль 2, яка приварена до вивідних кінців 5 нагрівача. Трубка заповнена кришталевим окисом магнію (періклазом) 3. В кінцях трубки закріплені вивідні ізолятори 4. Трубка легко згинається, тому ТЕНи випус -каються різної форми (в том числі ребристими – для електрокалориферів).

Для печей с робочими температурами вище 1100 – 1150°С використовують неметалеві нагрівачі у вигляді стержнів: карборундові, основу яких складає карбід кремнію (до 1300 – 1400°С), та з дісиліциду молібдену (до 1400 –1500 °С). Використовують також графітові і вугільні нагрівачі (до 2000 – 2500°С).    

Найбільш розповсюджені в високотемпературних печах нагрівачі з моліб -дену (до 2000 °С в захисному середовищі) і вольфраму (до 2500 °С в захис -ному середовищі).

Електрична потужність, яка споживається нагрівачами, складає для невеликих печей одиниці кіловат, а для крупних печей може достигати тисяч кіловат і більше. Встановлені (номінальні) потужності деяких видів печей опору: від 8 до 160 кВт – камерні печі загального призначення; від 25 до 160 кВт – шахтні печі; від 20 до 1000 кВт – камерні печі для сушки електротехнічних виробів; від 10 до 150 кВт – барабанні печі; від 90 до 270 кВт – штовхальні печі (від 750 до 1100 кВт – з камерами охолодження); від 6 до 800 кВт – конвеєрні печі (до 1400 кВт – з камерами охолодження). 

 

3. Розрахунок дротяних і стрічкових нагрівачів.

При розрахунках виходять з заданої номінальної електричної потужності печі, з кінцевої температури нагріву виробів і площини футеровки камери печі для розміщення нагрівачів, тобто:

1. Вихідні дані: Р_ном, кВт і Т_вир., °С. 2. Вибирається схема включення нагрівачів і стає відомою потужність на фазу і фазна напруга: Р_ф, кВт і U_ф, В.

3. Виходячи з максимальної температури виробів Т_вир по таблиці 6.1. вибираємо матеріал і визначаємо температуру нагрівача Т_нагр., °С.

4. По діаграмі w(Т_вир.) знаходимо значення питомої поверхневої потужності ідеального нагрівача w_ід. Враховуючи коефіцієнт теплових втрат печі (конст - рукцію нагрівальних елементів) α, визначаємо значення допустимої питомої поверхневої потужності w_доп., тобто потужності, яка виділяється з одиниці поверхні нагрівача і при цьому забезпечується ресурс нагрівального елемен -ту не менше 10 000 год.

             0,2 – 0,3 для дротяних спіралей;

α =   0,6 для дротяних зигзагів; 

            0,4 для стрічкових зигзагів;

            0,6 для литих зигзагів.

 

                  w _доп. = w_ід.· α, Вт/м².

5. Визначення розрахункових конструктивних розмірів нагрівального елементу.

А) для дротяного нагрівального елементу: діаметр дроту d, м і його довжину на фазу L_ф, м.

                 , 

Відповідно сортаменту вибираємо ближче стандартне значення діаметру дроту d_с  і визначаємо довжину провідника на фазу:

                   де

ρ – (Ом · м) – питомий опір в гарячому стані.

   

Б) для стрічкового нагрівального елементу: товщина стрічки a, м і довжину на фазу L_ф, м.

               

m = b / a, b – ширина стрічки (відповідно сортаменту m = 5÷15).

При заданому mвибираємоближче стандартне значення а _сі   визначаємо довжину провідника на фазу:

                                                         

                        

  Інші конструктивні розміри:

D – діаметр спіралі:

D = (4÷6)d – для хромалюмінію,

D = (7÷10)d – для ніхрому. 

t _сп. – крок витків спіралі: t_сп.= (3÷5) d.  

Н – висота зигзагу:

Н = 0,15÷ 0,3 м – для хромалюмінію,                             

Н = 0,2÷ 0,4 м – для ніхрому. 

R – радіус закруглення зигзагу:

R ≥ d, R = (4÷5) а.

t_з – крок зигзагу:

t_з ≥ (5÷9) d – для дротяних;

t_з ÷ (2÷5) b – для стрічкових.                     Рис.6.5. Конструктивні розміри

Для дротяних нагрівальних елементів:                 нагрівачів.

d _min = 3 мм, для спіралей,

d _min = 6 мм, для зигзагів.

При температурі ≤ 1000 °С використовують стрічку 1×10 мм, при температурі > 1000 °С використовують стрічку 2×20 мм.

 

4. Схеми регулювання нагріву печей опору.

Регулювання потужності нагріву може бути ступеневим (двох або трьох - позиційним) і плавним з використанням автотрансформаторів або тиристор -них регуляторів.

  

А) схема двопозиційного регулювання.

                                                                                       Рис.6.5. Схема двопозиційного

                                                                                                           регулювання.

                                                                                       ЕН – електронагрівач;

                                                                        SA1 – ввідний вимикач;

                                                                        SA2 – вимикач нагріву;

                                                                        SA3 – перемикач режимів роботи;

                                                                    РТ – регулятор температури;

                                                                    Т – термопара (термодатчик);

                                                                    К – проміжне реле;

                                                                    КМ – силовий контактор;

                                                                    FU – запобіжники.

 

 

                                                                    Рис.6.6. Процес двопозиційного

                                                                           регулювання температури.

                                                                      

                                                                    Нагрів починається з температури, 

                                                                                      яку піч мала до включення нагріву.           

                                                                                      Регулятор має зону нечутливості ± δt,

                                                                    тобто відключення печі відбувається     

                                                                                        не при t = t_вст., а при більш високій                           

                                                                                      температурі (точка 1).

 

Далі температура поступово знижується до значення t_вст.- δt, тоді в точці 2 контакт РТ замкнеться і температура знов буде рости до значення t_вст.+ δt. Таким чином автоматичний регулятор підтримує температуру печі навколо середнього значення t_ср.

 

 Б) схема безперервного (тиристорного) регулювання температури.

  

                                                                     Рис.6.7. Схема безперервного

                                                                                                 регулювання температури.

                                                                     ЕПО – електропіч опору;

                                                                     ТРН – тиристорний регулятор напруги;

                                                                                  БКТ – блок керування тиристорами;

                                                                                  ПТК – прилад теплового контролю;

                                                                                  ПЕ – потенціометричний елемент;

                                                                                   ДТ – датчик температури (термопара);

                                                                                   SB1 – кнопка відключення нагріву;

                                                                                   SB2 – кнопка включення нагріву;

                                                                                    КМ – лінійний контактор;

                                                                                   СН – стабілізатор напруги;

                                                                                   QF1, QF2 – автоматичні вимикачі.

  

Розглянемо спрощену схему приладу теплового контролю (рис.6.8.).

                                                                                     Рис.6.8. Схема приладу теплового  

                                                                                                    контролю.   

 

                                                                                        Вимірювальна частина приладу

                                                                                      побудована на принципі компенса-

                                                                                      ційного методу вимірювання ЕРС                                                                                     

                                                                                      малої величини, яка виникає на

                                                                                      виході датчика ДТ, термоелектродна

                                                                                      частина якого (термопара) введена

                                                                                      в робочій простір печі.

                                                                                         Електрорушійна сила датчика

                                                                                      температури е_дт пропорційна темпе -                     

                                                                                      ратурі печі, включена послідовно

                                                                                      зі входом електронного підсилювача

                                                                                      в діагональ моста. Два плеча моста створені постійними резисторами R3 и R4; трете плече складається з постійного резистора R1 и частини 1–2 потенціометра R, четверте плече з постійного резистора R2 и остатньої частини 2–3 потенціометра R. В другу діагональ моста включене джерело стабілізованої напруги U_CT.

Тому як опори Rl–R4 незмінні, то напруга u _м на діагоналі моста між точками 2 і 4 одно -значно визначається положенням повзунка потенціометра R. Тому завжди можна знайти таке положення повзунка R, при якому напруга на вході підсилювача u _вх = u _м - е_дт = 0 (режим повної компенсації). В ПТК компенсація здійснюється автоматично Для цього на вихід підсилювача (коефіцієнт підсилювання — до 100 000 і більше) підключений малопотужний реверсивний електродвигун Д. При u _вх   ≠ 0 двигун переміщує через передавальний механізм ПМ повзунок потенціометра R в ту або іншу сторону в залежності від знаку u _вх до положення повної компенсації. В цьому положенні двигун зупиняється. З повзунком потенціометра R механічно пов’язані покажчик температури У, який переміщується вздовж шкали, яка градуйована в градусах Цельсію (°С), а також перо, яке записує цю температуру на паперову стрічку. Стрічка переміщується з постійною швидкістю за допомогою стрічкопротягувального механізму, який приводиться в рух окремим синхронним двигуном.

 

 

   5. Установки прямого нагріву.

Електротермічні установки прямого нагріву використовуються для нагріву заготовок при куванні и штамповці. Вони забезпечують швидкий і рівномір- ний нагрів до 1100 – 1200°С, але споживають дуже великі струми (сотні і тисячі ампер) при відносно малих напругах (5 – 20 В). Пристрій  прямого нагріву заживлюється ві однофазного пічного трансформатора ТрП (рис.6.9).  

Заготовка 3, яка нагрівається, затискається в контактних головках 1, до яких через струмознімач 4 і струмоведучі трубошини 2 підведена напруга вторинної обмотки трансформатора.

  

                                                                           Рис.6.9.   Схема установки       

                                                                                              прямого нагріву.

                                                                                       1 – контактні головки;

                                                                    2 – струмоведучі трубошини;

                                                                    3 – заготовка;

                                                                    4 – струмознімачі;

                                                                    5 – пічний трансформатор.

 

 

До установок прямого нагріву відносяться також електродні водогрійні і парові котли, які знайшли широке використання для опалення и гарячого водопостачання.

Електродний водонагрівач (рис.6.10) являє собою теплоізольований сосуд (котел) з патрубками для підводу і відводу води.

Нагрів води відбувається за рахунок проходження електричного струму на ділянці між фазним електродом і антіелектродом (нульовою точкою). Останній може переміщуватися і тім самим забезпечувати регулювання потужності в широких межах.

                                                                 Рис.6.10. Електродний водогрійний

                                                                                            котел на напругу 380 В.

                                                                              1 – патрубки підводу і відводу води;  

                                                                              2 – механізм переміщення антіелектроду;  

                                                                              3 – кришка;

                                                                              4 –  корпус;      

                                                                              5 – антіелектрод;

                                                                              6 – електроди;

                                                                              7 – ізоляційні втулки;  

                                                                              8 – струмопровід.

                                                                         

 

 

Промисловістю випускаються трифазні електродні водогрійні котли типу КЭВЗ потужністю 40, 60, 100, 250, 400 и 1000 кВт і парові типу КЭП потужністю 25, 60, 100 и 400 кВт. Живлення цих котлів здійснюється від мережі 380 В.                                

 

5. Установки інфрачервоного нагріву.

В цих установках нагрів відбувається в сушильний камері при за допомо - гою спеціальних електроламп або трубчатих нагрівальних елементів (ТЕН), які випромінюють в основному інфрачервоні проміні. В електромашинному будівництві такі установки використовують для сушки лакофарбового покриття и ізоляції обмоток електричних машин після просочування. Цей спосіб нагріву дає прискорення процесу сушки обмоток за рахунок проникнення в обмотки тепла також від металевих частин, які прогріваються інфрачервоними променями.