3.2.2 Печі непрямого нагрівання опором
Печі непрямого нагрівання опором – найчисельніша групу електротермічних установок для нагрівання матеріалів та плавлення металів і сплавів.
Печі непрямого нагрівання класифікують за наступними ознаками:
за призначенням печі опору поділяють на плавильні та нагрівальні. Плавильні – переважно для легкоплавких кольорових металів і сплавів. Нагрівальні – для термічної обробки чорних і кольорових металів, скла, кераміки, для хімічних теплових процесів, для сушіння виробів, для нагрівання перед куванням, зварюванням, прокатуванням та ін.
за робочою температурою печі поділяються на низькотемпературні (до 600–700 оС), середньотемпературні (700–1200 оС) і високотемпературні (понад 1200–1250 оС).
за видом середовища у робочому просторі розрізняють печі з окиснювальною (повітряною) атмосферою, з атмосферою, яка контролюється, і вакуумні. Атмосферою, яка контролюється, називають атмосферу з одного чи декількох газів, які виявляють направлений і такий, що контролюється, вплив на поверхневий шар металів і сплавів у процесі їх нагрівання.
залежно від рівня залишкового тиску печі ділять на низько– (вище 10 Па), середньо– (10–10–2 Па), високо– (10–3–10–5 Па) і надвисоко–вакуумні (нижче 10–5 Па).
за родом роботи поділяють на печі періодичної дії (садочні) і безперервної дії (методичні). Цикл садочних печей: завантаження, теплова обробка за заданим температурним режимом, розвантаження. У методичних печах вироби, які нагріваються, в процесі нагрівання і можливого наступного охолодження рухаються від місця завантаження до місця розвантаження.
за конструктивним виконанням печі періодичної дії поділяють на камерні, з висувним подом, шахтні, ковпакові, елеваторні, електричні ванни (соляні, масляні, лужні, з внутрішнім чи зовнішнім обігрівом). Розрізняють печі безперервної дії: конвеєрні, штовхальні, карусельні, барабанні, протяжні, з крокуючим чи пульсуючим подом, рольгангові.
Маркування печей опору непрямого нагріву:
перша буква С – метод нагрівання (опором);
друга буква – конструктивне виконання печі: Н – камерна, Д – камерна з висувним подом, Ш – шахтна, Г – ковпакова, В – ванна, К – конвеєрна, Б– барабанна, Т – штовхальна, А – карусельна, И – конвеєрна з пульсуючим подом, Р – рольгангова, П – протяжна, Е – елеваторна;
третя буква – характер середовища: О – окисна (звичайна атмосфера), З – захисна, Ц – цементаційний газ, С – сіль і луг, Р – агресивне середовище, К – компресія (підвищений тиск у печі);
цифрове позначення – чисельник вказує розміри робочого простору печі в дециметрах, а знаменник – максимальну температуру печі в сотнях градусів Цельсія.
Приклад: СКЗ–4.30.1/9 – опором, конвеєрна, захисна атмосфера, робочий простір печі 0,4х3х0,1 м, 900 оС.
Рис.
3 Конструкція ковпакової печі опору 1
– нерухомий
стенд; 2
– зйомний ковпак; 3
– теплоізоляційний матеріал; 4
– жаростійкий матеріал; 5
– нагрівальні опори; 6
– виріб, який нагрівається; 7
– подова плита
Камерна піч має дверцята, через які здійснюється завантаження і розвантаження садки. Шахтні печі мають круглий або квадратний переріз і вгорі зйомну кришку для завантаження виробів.
Елеваторні печі – це печі з підіймальним подом. Нагрівальна камера печі піднята на колонах над рівнем підлоги на 2–3 м. Для піднімання в камеру виробів використовується гідравлічний домкрат.
У конвеєрній печі вироби рухаються на конвеєрній стрічці з жароміцного матеріалу у вигляді переплетених дротів, штампованих чи литих ланок, у вигляді ланцюгів. У штовхальній печі вироби рухаються за напрямними (рейками, роликами) поду печі штовхальним механізмом, який розміщений перед завантажувальними дверцятами печі. У рольгангових печах вироби рухаються по жаротривких роликах, розміщених на поді печі. Барабанні печі мають обертовий шнек, за яким рухаються вироби круглої, циліндричної чи іншої форми без гострих кутів. У печах з крокуючим подом подова балка піднімається на невелику висоту, переносить вироби над нерухомою частиною поду в напрямку розвантаження, опускається вниз, залишаючи вироби на нерухомій частині поду, і повертається до початкового стану. У протяжних печах рух виробів (дроту, стрічки, тонкостінних труб) здійснюється за допомогою спеціальних протяжних чи намотувальних пристроїв, які знаходяться перед завантажувальними отворами поза піччю.
Особливою групою печей є печі–ванни, в яких нагрівання виробів здійснюється рідкими теплоносіями (маслом, лугом, розплавами солей). Набільш розповсюдженими є електродні соляні ванни, до переваг яких можна віднести швидке рівномірне нагрівання, відсутність окиснювального середовища, можливість вмонтовування в потокові лінії, можливість проведення термохімічної обробки виробів при відповідному підборі солей.
Загальними елементами конструкцій печей опору є футерована камера нагріву, нагрівальні елементи, деталі та вузли для підтримання (пересування) виробів, які нагріваються.
Вогнетривкі матеріали призначені для виготовлення внутрішніх елементів камери печі, для чого використовується цегла, фасонний камінь, шамот, магнезитові речовини та ін.
Теплоізоляційні матеріали служать для зменшення теплових втрат у печі (кладка повинна мати великий тепловий опір), такими матеріалами можуть бути скляна і мінеральна вата, скляне волокно, матеріали на основі азбесту.
Жаротривкі матеріали призначені для подових плит, завантажувальних пристроїв, деталей транспортувальних пристроїв, для кріплення різноманітних елементів, для цього використовують хромонікелеві сталі, спеціальні види чавуну.
Як нагрівальні елементи застосовуються хромонікелеві (ніхроми), хромоалюмінієві та хромонікельалюмінієві сплави, тугоплавкі чисті метали (вольфрам, молібден, тантал, ніобій), неметалеві матеріали (карборунд, дистліцид молібдену, графіт).
Встановлена потужність печі, як і кількість електроенергії, яка споживається з мережі, залежать від температурного режиму обробки виробів, передбаченого технологічним процесом, тобто від циклу нагрівання виробу, який характеризує режим роботи печі. Розрізняють три види нагрівання виробу: нагрівання без витримки, нагрівання з витримкою, нагрівання з витримкою з наступним охолодженням (рис. 4). Охолодження виробу може відбуватися поза піччю.
Для печі періодичної дії витрата енергії за цикл роботи Qц (Дж) складатиме
,
де
–
кількість
теплоти, необхідної для нагрівання
завантаження до потрібної температури,
Дж;
Рис. 4. Цикли роботи
печей
а
– нагрів без витримки; б – нагрів з
витримкою;
в
– нагрів з витримкою і
наступним
охолодженням.
а)
б)
а)
б)
в)
–
аналогічно
для нагрівання
допоміжних
жаротривких
пристроїв, Дж;
–
сумарні
теплові втрати печі за цикл роботи, Дж.
Спожита потужність печі (Вт) визначається з умови нагрівання завантаження
,
.
де
–
тривалість періоду нагрівання
завантаження, с;
– потужність
теплових втрат через стінки печі у
період нагрівання, Вт.
Тепловий
к.к.д. печі
(%)
і питомі витрати електроенергії
w (кВтּгод/кг) визначаються виразами
,
,
де
–
маса завантаження печі за один цикл,
кг.
Для
печей безперервної дії спожита потужність
(Вт)
визначається
,
де
– потужність,
яка витрачається на нагрівання виробів
до потрібної (заданої) температури, Вт;
– потужність,
яка витрачається на нагрівання допоміжних
пристроїв, Вт;
– сумарна
потужність
теплових
втрат
через
стінки
печі, Вт;
– потужність
втрат
на
випромінювання
через
отвори
печі,
Вт;
– коефіцієнт
неврахованих втрат,
.
Якщо піч має декілька зон, аналогічно визначаються спожита потужність кожної зони і результати підсумовуються. Тепловий к.к.д. печі ηТ (%) та питома витрата електроенергії w (кВтּгод/кг) визначається виразами
,
,
де g – продуктивність печі, кг/год.
В більшості випадків печі опору непрямої дії отримують живлення від цехової мережі 380 В. До складу електрообладнання печі, окрім самої печі, як правило, входять допоміжні механізми з приводами, комплектні установки, датчики та виконавчі пристрої систем вимірювання і регулювання, а також трансформатори, якщо нагрівачі живляться регульованою напругою.
Допоміжні механізми можуть мати електро–, гідро– чи пневмопривод. При електроприводі потужність електродвигунів допоміжних механізмів знаходиться в межах 0,6–10 кВт, використовуються трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором загальнопромислового використання. При необхідності регулювання швидкості застосовують двигуни постійного струму.
Для управління нагрівачами та електродвигунами застосовуються щити управління серій ВЗР, ВЗРП (В – вимірювання, З – запис, Р – регулювання температури, П – наявність приладів струму та напруги), панелі серій ШОТ, станції управління ПТХ, ЩСУ та ін. Щити та станції виконуються на струми 90, 140, 200, 350, 1000 і 1500 А.
Для регулювання напруги використовуються трифазні та однофазні трансформатори типу ТПТ і ТПО потужністю відповідно від 10 до 250 та від 1,6 до 250 кВּА з числом ступенів трансформації від 4 до 16, перемикання ступенів виконується при відімкненому навантаженні. Застосовуються також автотрансформатори АПТ потужністю 40–100 кВּА і АПО потужністю 180–360 кВּА. Плавне регулювання здійснюється за допомогою трансформаторів потужністю 25–250 кВּА серії РОТ, РТТ (сухі) та РОТМ, РТТМ (масляні). В однофазних трансформаторах регулювання напруги здійснюється переміщенням вторинної обмотки відносно первинної та короткозамкненого витка відносно нерухомих обмоток. Переміщення здійснюється механізмом з ручним чи електричним приводом.
Використовуються також три– та однофазні індукційні регулятори ІР, які мають первинну напругу 6 (10) кВ і поєднують функції силового трансформатора та регулятора напруги, знаходять широке застосування тиристорні регульовані джерела живлення типу ТРДЖ для систем безперервного регулювання температури і тиристорні перемикачі типу ТП для систем позиційного регулювання.
Різновиди схем живлення печей опору від мережі 380 В наведені на рис. 5.
Рис. 5. Різновиди схем живлення печей опору
В печах може передбачатися декілька теплових зон. В цьому випадку живлення кожної зони може здійснюватися від індивідуального трансформатора чи декілька зон живиться від групового трансформатора. Групове живлення зон (а також однозонних печей) дозволяє застосовувати трансформатори більшої потужності, збільшити їх коефіцієнт використання, зменшити число трансформаторів, зменшити втрати електроенергії. Варіанти живлення п'ятизонної печі від знижувальних трансформаторів наведені на рис. 6. В схемі передбачені перемикачі, які дозволяють виведення у ремонт однієї із зон чи забезпечення незалежної роботи трансформаторів.
а) б)
Рис. 6. Варіанти живлення п'ятизонної печі опору
а – при індивідуальних трансформаторах для кожної зони,
б – групове живлення зон;
1 – високовольтний розподільний пункт; 2 – трансформатор печі;
3 – автоматичний вимикач; 4 – силовий контакт контактора; 5 – зона печі