Электрические печи сопротивления прямого нагрева. Принцип действия. Область применения.

В электрических печах сопротивления прямого нагрева электрический ток проходит непосредственно по нагреваемому изделию. При этом количество тепла, выделяемого при протекании электрического тока определяется по закону Джоуля-Ленца.

где Q, Дж – тепло, выделившееся в нагреваемом изделии; τ, сек – время нагрева;

I, А – действующее значение тока; R, Ом – активное сопротивление, вычисленное с учетом поверхностного эффекта.

Рис. 1. Схема прямого нагрева. 1.- водоохлаждаемые зажимы из бронзы или меди; 2. – нагреваемое изделие; 3. – печной трансформатор.

В печах этого типа используется как переменный, так и постоянный ток, получаемый от тиристорных преобразователей. Преимущества таких печей: большая скорость нагрева и возможность получения высоких температур . На переменном токе значение КПД . Мощность печей прямого нагрева достигает 15000 кВ А. Современная область применения – преимущественно спекание изделий, имеющих высокое сопротивление (порошки тугоплавких и редких металлов, графитизация угольных изделий, получение карборунда и т.д.). В традиционных областях использования – нагрев заготовок под ковку и штамповку, отжиг труб и т.т. Следует отметить, что электрические печи прямого нагрева в промышленности вытесняются индукционными, как менее энергозатратными и более производительными. Печи прямого нагрева проектируются и изготавливаются для конкретных технологических процессов и производств. В заводской практике часто встречается необходимость проектирования и изготовления своими силами небольших установок.

Особенности электроснабжения.

Мощные однофазные установки вызывают появление в питающих сетях напряжения обратной последовательности, которое по нормативам в точке подключения нагрузки не должно превышать 2% от номинального. В необходимых случаях установка к сети подключается через симметрирующее устройство по схеме Штейнмеца или симметрирующий трансформатор.

Рис. 2. Симметрирующее устройство по схеме Штейнмеца (Z н – нагрузка; С к – компенсирующая емкость; L, C – соответственно реактор и конденсаторная батарея симметрирующего устройства).

Индуктивное сопротивление Х_L и емкостное сопротивление конденсаторной батареи Хс выбираются таким образом, чтобы векторы линейных токов питающей сети составляли симметричную трехлучевую звезду. Это условие выполняется при выборе индуктивного X_L и емкостного Х_С сопротивленийпо формуле:

где Х_L, Х_С, Ом – индуктивное и емкостное сопротивления реактора и конденсаторной батареи;

U, В – линейное напряжение питающей сети; Р, Вт – активная мощность нагрузки.

Устройство работает при значении нагрузки, стремящимся к единице. Реактивная мощность , ВАр компенсирующей емкости С _к при полной мощности нагрузки S, ВА определяется согласно выражению

Схема замещения.

Рис. 3. Схемы замещения установки прямого нагрева. (а – с учетом, б – без учета потерь холостого хода печного трансформатора).

На схеме рис. 3 приняты обозначения Ом) – индуктивное и активное сопротивления заготовки с учетом поверхностного эффекта;

, (Ом) – активное сопротивление зажимов;

, (Ом) – индуктивное и активное сопротивления вторичной цепи установки;

– индуктивное и активное сопротивления обмоток печного трансформатора приведенные к напряжению вторичной обмотки. Определяются по результатам рабочего проектирования трансформатора. Активное сопротивление вторичной цепи установки (Ом) определяется ориентировочно в долях активного сопротивления материала заготовки постоянному току

Индуктивное сопротивление вторичной цепи Х ₂, (Ом) ориентировочно в долях индуктивного сопротивления материала заготовки:

Инженерный расчет по схеме замещения рис. 3,б дает достаточную точность.

Для цилиндрической заготовки, ток I в которой направлен параллельно образующей цилиндра, эффективная глубина , м проникновения электромагнитной волны в металл при угловой частоте тока питающей сети определяется по выражению

где f, (Гц) – частота тока питающей сети; как правило, используется промышленная частота 50 Гц;

ρ, (Ом м) – удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала постоянному току;

Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;

μ – относительная магнитная проницаемость нагреваемого материала.

В слое толщиной , выделяется 86,4% всей электромагнитной энергии, проникающей через поверхность заготовки. В приближенных расчетах принимается, что в слое , выделяется вся тепловая энергия. Величины ρ и μ для ферромагнетиков нелинейно зависят от температуры, существенно нелинейна так же функция μ(Н), где Н – напряженность магнитного поля в заготовке. Ниже приведены зависимости (t – температура заготовки, ), для стали, которые целесообразно использовать в приближенных расчетах.

Таблица 1

Температура заготовки
-	+

,Ом·м	0,2	0,35	0,55	0,675	0,80	1,15	1,15	1,20	1,30
мм, при f = 50 Гц	7,9	9,9	13,1	14,45	15,8	21,9	75,8	77,5	80,6

При температуре около точки Кюри ( для чистого железа) сталь теряет магнитные свойства и имеет . Для приближенных расчетов в интервале температур можно принять . Для сталей активное и индуктивное сопротивления заготовки при частоте f = 50 Гц определяются в функции , где – радиус нагреваемой цилиндрической заготовки в мм.

Таблица 2.

,
	1,13	1,5	2,06	2,75	3,5	4,13	5,75
	0,25	0,81	1,25	1,63	2,06	2,5	3,06

Сопротивление заготовки постоянному току вычисляется исходя из ее геометрических размеров: где , м – длина заготовки; – площадь ее поперечного сечения.Для стали удельное сопротивление постоянному току Для стали при частоте 50 Гц в интервале температур до точки Кюри можно принять мм, свыше точки Кюри мм. Для фасонных заготовок (прямоугольник, равнобокий уголок, двутавр) можно использовать данные табл. 2, заменив отношение на где F, мм² – сечение заготовки, п, мм – ее периметр.

Электрический расчет.

Ввиду высокой скорости нагрева стальной заготовки потерями на излучение тепла с ее поверхности можно пренебречь при расчете полной полезной мощности :