Электротехнологические промышленные установки - Свенчанский А.Д.

Author: Свенчанский А.Д.
Tags: электроэнергетика электротехника электроснабжение сельское хозяйство энергоиздат промышленные предприятия электроэнергия электротехнологические процессы
Year: 1982
Similar
Электро-технологические установки. Учебник для вузов
Электроснабжение промышленных предприятий и установок
Индивидуальные солнечные установки
Основы электроснабжения промышленных предприятий
Text
                    ЭЛЕКТРО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ
УСТАНОВКИ
Под редакцией А. Д. Свенчанского
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР в качестве
учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности «Электроснаб-
жение промышленных предприятий, городов
и сельского хозяйства»
ЕВ
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1982
ББК 31.29
Э45
УДК [621.865Ф62Ш7] (075.8)
Рецензенты: кафедра «Электроснабжение
промышленных предприятий и городов» Новоси-
бирского электротехнического института и В. Л.
Рабинович
Авторы: И. П. Евтюкова, Л. С. Кацевич,
Н. М. Некрасова, А. Д. Свенчанский
Электротехнологические промышленные уста-
Э 45 новки: Учебник для вузов/ И. П. Евтюкова,
Л. С. Кацевич, Н. М. Некрасова, А. Д. Свенчан-
ский; Под редакцией А. Д. Свенчанского. — М.:
Энергоиздат, 1982. — с., ил.
В пер. 95 к.
Описаны основные виды электротехнологических установок, причем
основное внимание уделено тем, которые получили наибольшее рас-
пространение в промышленности и являются крупными потребителями
электроэнергии, а также тем, в которых реализуются новые электро-
технологические процессы.
Предназначена в качестве учебного пособия для студентов, обу-
чающихся по специальности «Электроснабжение промышленных пред-
приятий, городов н сельского хозяйства», кроме того, может быть по-
лезна работникам промышленности, проектирующим и эксплуатирую-
щим электротехнологические установки.
2302050000-147	ББК 31.29
Э---------------- 147-82
051 (01)-82	6П2.1.081
© Энергоиздат, 1982
ПРЕДИСЛОВИЕ
Содержание книги соответствует программе курса
«Электротехнологические промышленные установки» по
специальности «Электроснабжение промышленных пред-
приятий, городов и сельского хозяйства». В книге основ-
ное внимание уделено изложению физических принципов,
на которых основана работа электротехнологических
установок, их современных параметров и методов ра-
циональной эксплуатации.
Электротехнологические процессы широко применя-
ются в промышленности. Оборудование для этих процес-
сов весьма разнообразно по принципу действия, мощно-
сти, характеристикам потребления электроэнергии.
В данной книге охвачены основные виды электротехноло-
гического оборудования: электрические печи и электро-
нагревательные установки, электросварочные установки
всех видов, установки для размерной электрофизической
и электрохимической обработки металлов и установки
электроаэрозольной технологии. Соответственно в поня-
тие «электротехнология» включены следующие техноло-
гические процессы и методы обработки материалов:
1)	электротермические процессы, в которых использу-
ется превращение электрической энергии в тепловую для
нагрева материалов'и изделий в целях изменения их
свойств или формы, а также для их плавления и испаре-
ния;
2)	электросварочные процессы, в которых получаемая
пз электрической энергии тепловая энергия используется
для нагрева тел в целях осуществления неразъемного со-
единения с обеспечением непосредственной сплошности
в месте сварки;
3)	электрохимические методы обработки и получения
материалов, при которых с помощью электрической энер-
гии осуществляется разложение химических соединений
и их разделение путем перемещения заряженных частиц
1*
3
(ионов) в жидкой среде под действием электрического
поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохи-
мическая обработка);
4)	электрофизические методы обработки, при которых
для воздействия на материалы используется превращение
электрической энергии как в механическую, так и в теп-
ловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоим-
пульсная, электровзрывная);
5)	аэрозольная технология, при которой энергия элек-
трического поля используется для сообщения электричес-
кого заряда взвешенным в газовом потоке мелким части-
цам вещества с целью перемещения их под действием
поля в нужном направлении.
Термин «электротехнологические установки и обору-
дование» включает агрегаты, в которых осуществляются
электротехнологические процессы, а также вспомогатель-
ные электротехнические аппараты и приборы (источники
питания, устройства защиты, управления и др.).
Авторы приносят свою благодарность рецензентам за
ценные советы, а также редактору В. П. Цишевскому за
труд по редактированию рукописи. Они будут признатель-
ны за все замечания по содержанию книги, которые сле-
дует направлять в адрес издательства: 113114, Москва,
М-114, Шлюзовая наб., 10.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
За последние годы в промышленности сильно расши-
рилась область применения электротехнологических
процессов, вытеснивших многие технологические процес-
сы с топливным нагревом. Переход на электротехнологи-
ческие процессы обеспечивает повышение качества про-
дукции, позволяет во многих случаях проводить такие
операции и получать такие материалы, которые иным
путем осуществить невозможно, улучшать санитарные
условия труда и снижать вредное воздействие на окру-
жающую среду. Сейчас можно сказать, что пет таких
отраслей промышленности, где бы широко не применя-
лась электротехнология.
Термины «электротехнология», «электротехпологичес-
кие процессы» весьма широки; по существу они охваты-
вают все виды процессов, которые характеризуются
использованием электрической энергии, когда она прев-
ращается в процессе производства в тепловую, механи-
ческую или химическую виды энергии. Однако так
сложилось исторически, что некоторые технологические
процессы, подпадающие под это определение, стали бла-
годаря своему значению и широкому распространению
предметом изучения специальных разделов науки и тех-
ники (превращение электроэнергии в механическую при
механической обработке материалов и изделий, примене-
ние электроэнергии на транспорте, для освещения и для
бытовых нужд).
Впервые возможность использования электроэнергии
для проведения технологических процессов была показа-
на в России в 1803 г. В. В. Петровым, осуществившим с
помощью электрической дуги плавление различных мате-
риалов и восстановление металлов из их окислов.
Из-за недостаточного уровня развития техники и от-
сутствия мощных источников электроэнергии на протя-
жении почти всего XIX в. это открытие применялось
лишь в лабораторной практике, и только в конце века
появились первые промышленные электрические печи и
электролизные установки.
Бурное развитие получила электротехнология в XX в.
Появились новые электрометаллургические процессы,
получили широкое распространение электролиз и элект-
ротермические способы обработки материалов и изделий.
Немало сделали в этой области как в теории самих про-
5
цессов, так и в разработке для них электрооборудования
русские и советские ученые. Отметим такие имена, как
В. П. Ижевский, создавший в 1901 г. «русскую электри-
ческую печь» для плавки цветных металлов; А. Н. Лоды-
гин, много и плодотворно работавший в области электро-
металлургии; металлурги С. С. Штейнберг и А. Ф. Грамо-
лин, создавшие печь для плавки стали с угольными
стержневыми нагревателями; С. И. Тельный, разработав-
ший теорию электрической цепи с дугой переменного
тока; М. С. Максименко — основатель рудной электро-
термии; В. П. Вологдин — создатель индукционной плав-
ки металлов и индукционной поверхностной закалки;
Н. Н. Бенардос, Н. Г. Славянов и О. Е. Патон — создате-
ли электрической сварки.
Без электротехнологических процессов невозможен
технический прогресс. Высококачественные стали, жаро-
упорные металлы и сплавы, полупроводниковые матери-
алы — все то, что определяет современную прогрессивную
технику, может быть получено лишь посредством элект-
ротехнологических процессов. Вместе с тем с их внедре-
нием облегчаются условия труда персонала, снижается
загрязнение окружающей среды по сравнению с процес-
сами, базирующимися на сжигании топлива.
Большинство электротехнологических процессов (в
первую очередь, электротермических) является весьма
энергоемким, это привело к тому, что эти процессы прев-
ратились в один из существенных потребителей электро-
энергии. Рост потребления электроэнергии электротехно-
логическими процессами всегда опережал рост ее обще-
промышленного потребления и в настоящее время
достиг в СССР почти 30 % последнего. Нет сомнения, что
и в дальнейшем опережающий рост электротехнологии
сохранится, так как техника будущего — это новые мате-
риалы, особо прочные и жароупорные изделия, требую-
щие точной качественной обработки, а их можно получить
лишь с помощью электротехнологических процессов.
Часть первая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ
И ТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Глава первая
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ-
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРОИЗВОДСТВО
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Электротермическое оборудование используется в
процессах, в которых происходит преобразование элект-
рической энергии в тепловую. Под электротермической
установкой подразумевается комплекс, состоящий из
самого электротермического оборудования, источника его
электрического питания и устройства для автоматичес-
кого управления.
Электротермическое оборудование — электрические
печи, электронагревательные устройства и приборы —
широко распространено в промышленности, на транспор-
те, в сельском хозяйстве и быту. При таком широком
распространении электрические печи должны быть очень
разнообразными по конструкции и размерам. Резко раз-
личаются 'между собой по конструкции плавильные и
нагревательные печи, дуговые, индукционные и печи со-
противления, установки инфракрасного нагрева, вакуум-
ные печи. Наряду с небольшими настольными электрона-
гревательными приборами или лабораторными печами
мощностью в сотни ватт или в несколько киловатт в
промышленности применяются мощные дуговые стале-
плавильные и руднотермические печи. Мощность каждой
из них измеряется десятками тысяч киловатт.
Это многообразие электрических печей вызывает не-
обходимость в их классификации. Классификацию их по
технологическому назначению провести нельзя, так как
для одного и того же процесса можно использовать не-
сколько различных типов электротермического оборудо-
вания. По этому признаку пришлось бы ограничиться де-
лением электропечей на плавильные и термические. Бо-
лее правильна и удобна классификация электрических
7
Таблица 1.1. Классификация электротермических установок
по способу превращения электрической энергии в тепловую
Род нагрева	Способ превра- щения энергии	Области приме- нения	Электротермическое оборудование
Нагрев сопро- тивлением	Электрическая энергия превра- щается в тепло- вую при протека- нии тока через твердые или жид-1 кие тела (эф- фект Джоуля)	Нагрев метал- лов под термооб- работку и пласти- ческую деформа- цию; плавка ме- 1 таллов;	сушка материалов; на- грев в вакууме и контролируемой атмосфере	Электрические пе- чи	сопротивления; конвективные и ра- диационные, перио- дического и непре- рывного действия, нагревательные	и плавильные; уста- новки контактного нагрева; инфракрас- ный нагрев
Нагрев электри- ческой дугой	Электрическая энергия превра- щается в тепло- вую в дуговом разряде в газо- образной среде или в парах ме: таллЦ	Плавка черных и цветных метал- лов; вакуумная дуговая плавка; плазменные плав- ка и напыление; плазменный на- грев газов и по- лучение ацетиле- на; получение ка- чественных отли- вок	Электрические ду- говые печи прямого и косвенного дейст- вия; вакуумные дуго- вые печи; плазмен- ные дуговые уста- новки
Нагрев дугой и сопротивлением	Электрическая энергия превра- щается в тепло- вую в дуговом разряде и при протекании тока в твердых и жид- ких телах	Получение фер- росплавов, карби- да кальция, чу- гуна, фосфора, абразивов, медно- никелевого штей- на и ряда цвет- ных металлов	Рудиотермнческие печи: ферросплавные, для получения кар- бида кальция, фос- фора, абразивов
Нагрев преиму- щественно в пе- ременном маг- нитном поле Нагрев преиму- щественно в пе- ременном элект- рическом поле	Электрическая энергия превра- щается в энергию переменного маг- нитного поля, а затем в тепловую в помещенных в этом поле Т£лах Электрическая энергия превра- щается в энергию переменного , электрического поля, а затем в тепловую в поме- щенных в это по- ле телах	Плавка черных и цветных метал- лов; нагрев ме- таллов под термо- обработку и пла- стическую дефор- мацию; поверх- ностная закалка; зонная плавка; безэлектродный разряд Нагрев диэлект- риков и пласт- масс под полиме- ризацию; сушка материалов; сте- рилизация про- дуктов; приготов- ление пищи	Индукционные пла- вильные печи: ка- нальные и тигель- ные, периодического и непрерывного дей- ствия; индукционные нагревательные уста- новки; установки по- верхностной закалки Установки диэлект- рического нагрева
Нагрев элект- ронным пучком	Энергия элект- ронного пучка превращается в тепловую в те- лах, бомбарди- руемых электро- нами пучка	Плавка в ваку- уме высокореак- ционных цветных и черных метал- . лов; нагрев мс- 1 таллов в ваку- уме; напыление; 1 зонная плавка	Электронные пла- вильные и нагрева- тельные установки прерывистого н не- прерывного действия; установки для зон- ной плавки
8
печей по принципиальному признаку —по способу прев-
ращения электрической энергии в тепловую (табл. 1.1).
Разнообразие электротермического оборудования приводит к то-
му, что его производство носит индивидуальный характер. Сложное
и тяжелое оборудование производится, как правило, партиями по
нескольку штук или единицами. Более мелкие электропечи об-
щепромышленного применения выпускаются сериями по нескольку
десятков, редко сотен, штук в год. Для наилучшего удовлетворения
запросов потребителей для серийных печей разработаны размерные
ряды, объединяющие близкое по назначению и по основным конст-
руктивным решениям оборудование. В размерных рядах выделяют
несколько базовых конструкций, решения которых почти без изме-
нения используются в смежных типоразмерах, отличающихся от ба-
зовых только размерами. Это позволяет применять унификацию уз-
лов и деталей и изготавливать эти узлы и детали большими партия-
ми. Наиболее широко распространена унификация узлов и деталей
печей одного размерного ряда. Наибольший эффект достигается при
унификации изделий, изготавливаемых на одном заводе.
Электротермическое оборудование изготавливают на специализи-
рованных заводах электротехнической промышленности и укомплек-
товывают электротехническим оборудованием, источниками питания,
коммутационными аппаратами, измерительными приборами и устрой-
ствами управления и регулирования.
Разработка, исследование и проектирование новых типов и кон-
струкций электропечей осуществляются во Всесоюзном научно-ис-
следовательском институте электротермического оборудования
(ВНИИЭТО), во Всесоюзном научно-исследовательском институте
токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), в лабораториях и конструк-
торских бюро заводов электротермического оборудования.
Индивидуальный и мелкосерийный характер производства элект-
рических печей определяет то, что стандартизацией в первую оче-
редь охватываются электропечестроительные материалы, а также
мелкие печи общепромышленного производства.
Перед разработкой новых типов электротермического
оборудования, призванных заменить оборудование с пла-
менным нагревом, обязательно проводится технико-эко-
номическое обоснование обоих вариантов, при этом учи-
тываются -не только чисто экономические показатели, но
и их влияние на качество продукции, на условия труда,
потребность в рабочей силе, а также воздействие обоих
процессов на окружающую среду.
1.2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ
Теплопередача в электрических печах и устройствах
может осуществляться всеми видами теплообмена: тепло-
проводностью, конвекцией и тепловым излучением.
9
Теплопроводность— процесс передачи теплоты при
непосредственном соприкосновении частиц вещества. На
основании гипотезы Фурье количество тепловой энергии,
переданной путем теплопроводности, равно:
g=—iJLdxdF.	(1.1)
дп
Здесь Л — коэффициент теплопроводности, характери-
зующий способность вещества проводить теплоту; дЦдп—
градиент температуры в направлении распространения
тепловой энергии; dt—элементарное время; dP—эле-
ментарная площадка, перпендикулярная направлению
теплового потока.
Конвекция—передача теплоты вместе с движением
частиц вещества; имеет место только в жидкостях и га-
зах.
Различают естественную (свободную) конвекцию,
возникающую вследствие движения среды при разности
плотностей более и менее нагретых частиц, и принуди-
тельную (вынужденную), создаваемую искусственным
путем, — вентиляторами, насосами.
Практически передача теплоты конвекцией неотдели-
ма от передачи теплоты теплопроводностью.
Количественно передача теплоты конвекцией от твер-
дого тела, омываемого жидкостью или газом (или в об-
ратном направлении), описывается формулой
Чгюя ~ ®кон (4т	4) ^кон«	(1-2
Здесь сккон—коэффициент теплоотдачи конвекцией;
fct, tr—температура стенки и газа; FKOn—поверхность
теплоотдачи.
Процесс конвективного теплообмена весьма сложен и
зависит от ряда факторов. Сложность процесса перенесе-
на на коэффициент теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи зависит от температур
теплоотдающей и тепловоспринимающей сред 4т» 4» гео-
метрических размеров И формы твердого тела, от тепло-
физических свойств омывающей среды, коэффициента
теплопроводности %, удельной теплоемкости с, вязкости
v и плотности у, а также от скорости v и характера дви-
жения этой среды:
®КОН ~ f (4т> 4» ^КОН» М ®» Т»
Рядом исследователей конвективного теплообмена получены экс-
периментальные зависимости для отдельных частных случаев. Так,
10
для плоских стенок, омываемых воздухом (свободная конвекция),
даются следующие формулы для определения коэффициента тепло-
отдачи «кое, Вт/(м2-'С):
при вертикальном положении стеики и разности температур
между стенкой и воздухом Д<—?ст—<«оэд—154-85° С
«кон = 4,0(?ст— 'возд)0’13!	(1-3)
для этой же стенки при Д f=854-150’С
«кон= 2,4 (f0T—^возд)0,25»	-	(1-4)
для горизонтальной стеики, омываемой воздухом сверху, Af—
-154-150 ° С
«кон = 2,5(/ст— ^воэд)0,28»	(1-5)
для горизонтальной стенки, обращенной теплоотдающей поверх-
ностью вниз, при тех же температурных условиях
«кон =1,3 (#ст — ^вовд)0,25»	(1-6)
В приведенных формулах учитывается только зависимость коэф-
фициентов теплоотдачи от разности температур между стенкой и
воздухом.
Для принудительной конвекции коэффициент тепло-
отдачи в первую очередь зависит от скорости движения
среды v.
При принудительном движении воздуха вдоль стенки
можно пользоваться формулой для аКою Вт/(м2-°С):
Окон - 7,12о°-78,	(1.7)
где v — скорость движения воздуха, м/с (формула при-
менима для и^5 м/с).
Расчет коэффициента теплоотдачи конвекцией для
различных случаев теплообмена, отличающихся физичес-
кими свойствами среды, формой твердого тела, значения-
ми температур, характером движения среды, ведется по
критериальным уравнениям, полученным обобщением
экспериментальных данных на основе теории подобия [1].
Тепловое излучение — передача энергии в виде элек-
тромагнитных волн. Этот процесс имеет место в средах,
прозрачных для тепловых лучей.
Тепловое излучение свойственно всякому телу, имею-
щему температуру, отличную от абсолютного нуля. Теп-
ловая энергия нагретого тела на его поверхности превра-
щается в энергию электромагнитных колебаний с дли-
ной волны от 0,4 до 40 мкм и распространяется со ско-
ростью света. Диапазон длин волн 0,4—0,8 мкм соответ-
ствует видимым (световым) лучам; длины волн 0,8—
40 мкм имеет инфракрасное излучение.
11
Энергия электромагнитных волн, встречая на своем
пути твердые тела, частично поглощается ими, превраща-
ясь в теплоту, частично отражается от них и частично
пропускается сквозь тело, еёли оно прозрачное. Большин-
ство тел (материалов), применяемых в технике, непроз-
рачно для тепловых лучей; их пропускательная способ-
ность равна нулю.
Основной закон теплового излучения — закон Стефа-
на— Больцмана — определяет удельный поток лучистой
энергии g, В т/м2, испускаемой во всем диапазоне длин
волн от 0 до оо абсолютно черным телом, т. е. таким те-
лом, для которого отражательная и пропускательная
способности равны нулю:
•	</= с$ (77100)1,	(1.8)
где Т — температура тела, К: Г=/+273; Cs=5,7 Вт/(м2-
• К4) — излучательная способность абсолютно черного
тела.
Для любого нечерного тела излучательная способ-
ность будет меньше; в общем случае она зависит от дли-
ны волны излучения. Для «серых» тел, не имеющих бле-
стящей полированной поверхности и диффузно отража-
ющих лучистую энергию, излучательная способность оди-
накова во всем диапазоне длин волн.
Закон Стефана—Больцмана для «серого» тела имеет
Вид:
q = с (77100)4 = cs е (7V100)4,	(1.9)
где c=cs8, а е — коэффициент теплового излучения
«серого» тела (табл. 1.2).
На основании этого закона может быть определена
лучистая энергия, испускаемая телом по всем направ-
лениям.
В чистом виде теплопроводность, конвекция и излу-
чение встречаются редко. Чаще имеет место одновремен-
ное действие двух или Bcqx трех видов передачи теплоты.
Рассмотрим в качестве примера теплообмен в камере
электрической печи сопротивления.
Расположенные на стенках рабочей камеры печи на-
гревательные элементы преобразовывают электрическую
энергию в тепловую. Эта энергия, выделяемая с поверх-
ности нагревателей путем излучения и конвекции, пере-
дается поверхности нагреваемых изделий, тары, вспомо-
га’гельных транспортирующих устройств и стенкам пе-
12
Таблица 1.2. Коэффициент теплового излучения
различных материалов
Материал	Температура, °C	в
Алюминий полированный Алюминий, окисленный при 600° С Асбестовый картон (асбес- товая бумага) Вольфрам Графит Кирпич динасовый Кирпич шамотный Краска алюминиевая Краска масляная Латунь с тусклой поверх- ностью Латунь, окисленная при 600° С Медь электролитическая по- лированная Медь, окисленная при 600° С Молибден 11икель, окисленный при 600° С Сажа Сплав хромоникелевый (ни- хром) Сталь листовая Сталь, окисленная при 600°С Тантал Титан Цинк, окисленный при 400°С Цирконий Чугун, окисленный при 600°С Чугун расплавленный	225-575 200-600 20—470 1300—3100 1000—2800 100—1100 20—1000 100 100 50—350 200-600 20-800 200—600 800—2500 200—600 20—370 125—1035 940—1100 200—600 2500—3000 600—1600 400 800—1800 200—600 1540	0,039—0,057 0,11—0,19 0,93-0,96 0,195—0,345 0,77—0,83 0,8—0,85 0,8—0,9 0,3-0,65 0,92—0,96 0,22 0,6 0,025—0,061 0,57—0,87 0,105-0,282 0,37—0,48 0,94—0,97 0,64-0,75 0,55—0,61 0,8 0,267—0,316 0,217—0,323 0,11 0,204—0,278 0,64-0,7 0,29
чи. Если печь вакуумная, то передача теплоты от
нагревателей осуществляется только излучением.
Передача теплоты от поверхности изделий вглубь
происходит теплопроводностью, если изделие сплошное
(монолитное), или одновременно теплопроводностью,
конвекцией и излучением, если загрузка насыпная или
пористая.
Через футерованные стенки печи от внутренней по-
верхности к наружной передача теплоты идет теплопро-
водностью; от наружной поверхности стенки теплота
отводится в окружающую среду излучением и конвек-
цией.
-13
Если внутри стенок имеются пустоты или газовые
прослойки, то передача теплоты в них осуществляется
не только теплопроводностью, но и излучением и конвек-
цией.
Передача теплоты через открытые проемы печи и ще-
ли происходит излучением и конвекцией, причем при
температурах печи выше 600—700° С основная доля
теплоты передается излучением.
Стационарный режим кладки (и одновременно печи
в целом) означает, что температура каждой точки клад-
ки не меняется во времени и тепловые потери через
стенки печи, так же как и суммарные потери, остаются
постоянными.
Мощность, расходуемая на покрытие тепловых потерь
РПОТ,СТ, Вт, через плоскую однослойную стенку печи,
имеющую однородную структуру, определяется
Рт ст ------------<»н.-/цар---------- (1 ДО)
nW,c’ 1/(«вНРвн)+5/(^р) + 1/(анарГНар) ’	'
где fBH, г'нар — температуры внутри и снаружи печи, °C;
S— толщина стенки, м; X— коэффициент теплопровод-
ности материала стенки, Вт/(м*°С), выбираемый по
средней температуре стенки; Fp — расчетная поверхность
стенки, м2.
Расчетная поверхность равна среднему арифметичес-
кому из значений внутренней F№—Fi ^наружной Fnap=
=f2 поверхностейFp— (F1+F2)/2,если F2/Fi<2, перед-
нему геометрическому Fp = ]/rF1F2, если Гг/Л>2.
В формуле (1.10) авн, анар—коэффициенты теплоот-
дачи, Вт/(м2»°С), количественно выражающие одновре-
менно передачу теплоты излучением и конвекцией с 1 м2
поверхности в единицу времени при разности температур
В ГС: О5в9я=<1вн,изл'4"<Хвн,кон И апар=<1нар,изл4_анардсон
(табл. 1.3.). Данные табл. 1.3 могут быть использованы
для определения суммарного коэффициента теплоот-
дачи наружной поверхности печи.
Обычно кладка печи состоит из двух или трех раз-
нородных слоев (см. рис. 2.1). Формула для определения
тепловых потерь стенки из п слоев Рпот,ст> Вт, имеет вид:
Рпот,ст=----------fegr-'w----------. (1.11)
п
—1—+y_*_+_J—
®вв^вн	XtFpi CfaapFaap
-И
Таблица 1.3. Значения коэффициента теплоотдачи,
а-аКон+аЖ8л, Вт/(м2-С)
Темпера- тура воз- духа, ®с	Температура стенки, °C								
	40	50	60	80	100	200	300	400	500
+10	10,6	11,5	. 12,2	13,4	14,5	20,0	26,7	34,6	44,5
+20	10,4	11,2	12,1	13,3	14,5	20,2	27,0	35,0	45,4
Потери через кладку печи определяются раздельно
для стенок, отличающихся одна от другой по форме,
материалам и толщине слоев.
Для цилиндрической стенки из п слоев расчет тепло-
вых потерь Рпот.ст» Вт, проводится по формуле
Рпот.ст=-----------, (!Л2)
1 I 1 У 1 I 1
Овален 2	“нар^нар
где Н — высота цилиндрической стенки, м; dBn, dMV—
внутренний и наружный диаметры стенки, м; di, di+i —
внутренний и наружный диаметры i-ro слоя, м; X» — ко-
эффициент теплопроводности материала i-ro слоя,
Вт/(м-°С).
При рабочей температуре печи свыше 700° С можно
пренебречь первым членом знаменателя в формулах
(1.10) — (1.12), так как большой коэффициент теплопе-
редачи делает очень малым температурный перепад на
границе внутренней поверхности стенки печи.
Мощность Риэл, Вт, расходуемая на покрытие тепло-
вых потерь через открытые проемы без учета конвектив-
ной передачи теплоты, определяется по формуле лучис-
того теплообмена
ала)
I	L\ ши /	\ у j
где екл—'Коэффициент теплового излучения материала
внутреннего слоя кладки (обычно еКл=0,754-0,85); Ттчи.
и Твар — температуры внутри и снаружи печи, К; Fnp —
площадь излучающего проема, м3; ф — коэффициент
диафрагмирования, учитывающий затенение лучистого
потока стенками проема,
15
Рис. 1.1. Коэффициент диафрагмирования.
J — круглое отверстие; 2 — квадратное; 3 — прямоугольное с соотношением
сторон 2:1; 4 — узкая щель.
Значения ф в зависимости от формы проема и отно-
шения высоты проема А к его глубине В приведены на
рис. 1.1.
1.3.	МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОПЕЧЕСТРОЕНИИ
В связи с наличием в электрических печах зон с вы-
сокой температурой в них помимо обычных конструкци-
онных и электротехнических материалов [2, 5] применя-
ют также специфические материалы, способные работать
при этой температуре и обладающие необходимыми для
этого свойствами. К ним относятся огнеупорные и тепло-
изоляционные материалы, а также материалы для на-
гревательных элементов.
Огнеупорные материалы используются для формиро-
вания рабочего пространства печи — ее камеры или
ванны. Они образуют огнеупорную кладку — внутрен-
нюю часть футеровки печи.
В соответствии с условиями работы к огнеупорным
материалам предъявляются следующие основные требо-
вания:
1)	огнеупорность, т. е. способность выдерживать без
деформации и оплавления высокие температуры (£огн^
>1580° С);
2)	механическая прочность при высоких температу-
рах: огнеупорный слой кладки должен выдерживать мас-
су загрузки, тары, транспортирующих устройств, на нем
крепятся нагревательные элементы;
3)	термическая устойчивость — способность, не рас-
трескиваясь, выдерживать резкие колебания температу-
ры. Особенно важно это требование для огнеупоров,
применяемых в плавильных печах, где на раскаленную
кладку ванны после слива металла загружают холодную
шихту;
4)	малая электрическая проводимость. В электричес-
ких печах огнеупорный материал часто служит электри-
ческим изолятором, так как на внутренней поверхности
огнеупорной кладки монтируются нагреватели; огне-
упорный материал служит опорой и разделителем для
токоведущих частей;
5)	малая теплопроводность: чем меньше теплопро-
водность огнеупорных материалов, тем легче изготовить
кладку печи с малыми тепловыми потерями, не увеличи-
вая чрезмерно толщину стен;
6)	химическая нейтральность. Огнеупорные мате-
риалы должны быть химически нейтральными к на-
греваемому в печи материалу, к нагревателям и га-
зовой среде, заполняющей рабочее пространство
печи.
Огнеупорные материалы обычно производятся на ба-
зе дешевого и недефицитного сырья, содержащего в ка-
честве основных компонентов глинозем А120з, кремнезем
SiO2 и окись магния MgO. Для печей сопротивления ос-
новным огнеупорным материалом является шамот — ма-
териал, содержащий 35—45% А12О3, остальное SiO2 и
небольшую долю примесей. По плотности различают
шамоты плотные (у= 1900-? 1800 кг/м8) и легковесные
(у=1300-7-800 кг/м3). Легковесные шамоты имеют не-
сколько меньшую механическую прочность, но они лучше
по теплоизоляционным свойствам, поэтому их примене-
ние целесообразнее для печей с рабочей температурой
до 1200° С. Для высокотемпературных печей в качестве
огнеупорных применяют высокоглиноземистые материа-
лы (алунд, корунд, корракс), двуокись циркония ZrO2,
а также уголь и графит.
Для плавильных печей в основном применяют сле-
дующие огнеупорные материалы: динас (810г«94-т-
•4-97%), магнезит (MgO ~ 95%), хромомагнезит, доло-
2-859	17
Таблица 1.4. Основные свойства важнейших огнеупорных материалов
Материал	Вид изделий	Плотность, кг/м®	Коэффициент теплопро- водности, Вт/(м-°С)	гнеупор- ость, вС	Максимальная рабочая тем- пература, «с		Примечание
				Оз:			
Динаа	Кирпичи, бло-	1900	0,93+0,7-10“»/сР	1700	1650	]		Своды, арки, стены
	ки	2000	0,93+0,7-10—®ZcP		1700 I		дуговых электропе-
Электродинас	Тоже			1720			чей
Магнезит	Набивки,	2600—2800	6,15+2,67-10-»/ср	2000	1500—1600 х.		
	прямоуголь- ные и фасон-						Стены, подины, сво-
Хромомагнезит	ные кирпичи - То же	2800-2900	1,8—2,0 (от Одо 700° Q	1920	1500		ды дуговых электро- печей
Плавленый маг-	» »	2700—2800	—	2800	1800		
незит	Прямоуголь-	1800—1900					
Шамот класса А			0,7+0,64-10—81сР	1730	1450	]		Кладка огнеупор-
	ные кирпичи	1800—1900					ного слоя печей со-
Шамот класса Б	Тоже		0,7+0,64-10-• 1ср	1670	1350	]		противления
Шамот легковес	>	1300	0,5+0,163-10—8/Ср	1670	1300	.		
БЛ-1,3		1000		1670			Дуговые печи —
Шамот легковес Б Л-1,0	> >		0,5+0,163-10-» <ср		1300 J		тепловая изоляция
		2300					
Высокоглинозе-	» >		1,4—2,5(600—1000° Q	1830	1600		
мистый огнеупор ВГО-62							Кладка огнеупорно-
Высокоглинозе-	> >	800	0,425—0,125-10—»/ср	1700	1300		го слоя печей сопро-
мистый легковес вклдс-о,»							тивления
							
Корунд	» »	2600—2900	2,08+1,85-10—»/ср	1900	1700		Детали высокотем-
График	Фасонные	1600—1700	55—25(1700-2000» С)	3000	2800		пературных печей Тигли, муфели, де-
	изделия						тали печей
мит и шамот. Свойства огнеупорных материалов, наи-
более широко применяемых в электрических печах, при-
ведены в табл. 1.4.
Огнеупорные материалы производят в виде порош-
ков для изготовления набивной части кладки (подин и
стен плавильных печей), тиглей, а также в виде кирпи-
чей и фасонных изделий. Наиболее употребительные
стандартные прямоугольные кирпичи имеют размеры
230ХПЗХ65 и 250X123X65 мм.
Назначение тепловой изоляции в электрических пе-
чах— снижение тепловых потерь через стенки печи.
Поэтому основное требование, предъявляемое к тепло-
изоляционным материалам, — малый коэффициент теп-
лопроводности при достаточной огнеупорности. Тепло-
изоляционные материалы представляют собой рыхлые
легкие массы или пористые изделия (кирпичи, блоки,
плиты).
Наиболее широко применяются в промышленных
электропечах следующие теплоизоляционные материа-
лы: диатомит, шлаковые и минеральные ваты, перлит,
зонолит, различного рода комбинированные материалы
на основе асбеста.
Для высокотемпературных печей в качестве тепловой
изоляции применяют графитовые крупку, вату, вой-
лок или другие ватообразные и волокнистые мате-
риалы на основе высокоогнеупорных окислов и кар-
бидов. В табл. 1.5 даны свойства теплоизоляционных
материалов, наиболее широко применяемых в электри-
ческих печах.
Нагревательные элементы являются основным узлом
конструкции печи сопротивления, определяющим на-
дежность работы печи и во многом возможность соблю-
дения требуемого технологического режима.
Материалы для нагревательных элементов выбирают
в соответствии с требуемой температурой и атмосферой
печи. Эти материалы должны обладать жаростойкостью,
т. е. способностью не окисляться при высоких темпера-
турах, достаточной жаропрочностью (прочностью при
высоких температурах) и обрабатываемостью (прока-
тываемостью, свариваемостью). Этим требованиям
должны удовлетворять также материалы для любых
элементов конструкций, находящихся в рабочем про-
странстве (подовых плит, подвесок, опорных и транс-
портирующих узлов).
2*
19
' а б л и ц а 1.5. Основные свойства некоторых теплоизоляционных
«атериалов
Наименование и вид материала	Плот- ность, кг/м3	Коэффициент теплопро- водности, Вт/(н-°С)	Макси- мальная темпера- тура при- менения, °C
Диатомитовый поро- лон (засыпка)	600—400	0,1+244-10"»/ср 0,131+0,314-10» /ср	900
Диатомитовый кирпич марки 500	500		900
Диатомитовый кирпич марки 700	700	0,159+0,314-10»/сР	950
Пенодиатомитовый	400	0,078+0,314-10“® /ср	900
кирпич Шлаковая (минераль-	150	0,05+0,151 • 10—»/ср	750
ная) вата марки 150			
Шлаковая вата марки 250	250	0,059+0,128-IO-8/Ср	750
Зонолит (обожжен- ный вермикулит)	150	0,072+0,255.10-®/ср 0,45+0,163-IO-®/ср	1100
Перлит (засыпка)	300—400		900
Перлит на керамиче- ской связке ПК-350	350	0,087+0,185-10-®/ср	900
(блоки)		0,037+0,256-16-® /	
Стеклянная вата	200		600
Минераловатные пли- ты кч	200—600	0,075+0,23-10-®/ср	600
Каолиновое волокно	0,2—0,6	При /=800-:-1200 °C,	1200
		А.=0,23 :-0,42	
К материалам для нагревательных элементов, кроме
того, предъявляют специфические требования, вытекаю-
щие из особенностей их работы.
1.	Высокое удельное' электрическое сопротивление.
При малом удельном электрическом сопротивлении на-
греватель, питаемый от сети 380 или 220 В, получается
чрезмерно большой длины и малого сечения. Такой на-
греватель трудно разместить в печи; кроме того, нагре-
ватель малого сечения имеет небольшой срок службы.
С применением понижающих трансформаторов для пи-
тания нагревателей удорожается печь, усложняется об-
служивание и увеличиваются потери энергии в токопод-
воде.
2.	Малый температурный коэффициент электричес-
кого сопротивления. Если материал обладает значитель-
ным температурным коэффициентом, то получается
20
большая разница в электрическом сопротивлении холод-
ного и горячего нагревателей, а следовательно, и в мощ-
ности, потребляемой печью из сети.
3.	Постоянство электрического сопротивления. Мате-
риал не должен подвергаться «старению»—увеличению
сопротивления с течением времени. В результате «старе-
ния» нагревателей уменьшается мощность печи.
Основными материалами для нагревателей промыш-
ленных электропечей сопротивления с рабочей темпе-
ратурой до 1200° С являются сплавы хромоникелевые
(нихромы), хромоалюминиевые и хромоникельалюми-
ниевые (нихромы с алюминием).
Хромоникелевые сплавы в наибольшей степени удовлетворяют
всем требованиям, предъявляемым к материалам для нагревателей.
Различают тройные нихромы, содержащие в качестве основных ком-
понентов хром, никель и железо (сплав Х15Н60), и двойные
(Х2ОН80). Чем больше содержание никеля в сплаве, тем лучше его
качество и выше рабочая температура.
В качестве материалов для нагревателей печей с рабочей тем-
пературой до 800° С применяют хромоникелевые жаропрочные стали
с содержанием хрома 24—27% и никеля 17—20% (Х25Н20 и
Х23Н18).
Хромоалюминиевые сплавы имеют в качестве основных легирую-
щих добавок, обеспечивающих жаростойкость, хром и алюминий.
Сплавы эти по сравнению с нихромами дешевле, но хуже
обрабатываются и имеют меньшую прочность при высоких тем-
пературах.
Для нагревателей с рабочей температурой до 800° С применяет-
ся фехраль (Х13Ю4)—сплав, содержащий в качестве легирующих
добавок к железу до 13% хрома и до 4% алюминия.
Для печей с рабочей температурой 800—1250° С используют
хромоалюминиевые сплавы с микродобавками редкоземельных эле-
ментов (бора, титана и др.) — ЭИ595 (ОХ23Ю5) на максимальную
температуру до 1200° С и ЭИ626 (ОХ27Ю5) — до 1300° С.
Хромоникельалюминиевые сплавы ХН70Ю и Х15Н60ЮЗА ка-
чественно лучше безникелевых сплавов и несколько дешевле нихро-
мов типа Х20Н80 за счет уменьшения содержания никеля.
Нагреватели из всех этих сплавов изготавливают в виде прово-
лочных спиралей и проволочных и ленточных зигзагов на заводах,
производящих печи сопротивления. Применяют также готовые на-
греватели закрытого типа — трубчатые (ТЭН). Последние применя-
ются главным образом для нагрева жидких и агрессивных сред.
Трубчатые нагреватели выпускаются разнообразных форм па разные
значения мощности и напряжения.
Для электропечей с рабочей температурой выше
1200—1250° С применяют неметаллические нагреватели:
карборундовые, дисилицид-молибденовые, графитовые
или нагреватели из тугоплавких металлов — молибдена,
тантала, вольфрама.
21
Для печей с рабочей температурой до 1400° С и окис-
лительной атмосферой в рабочем пространстве могут
применяться стержневые нагреватели из карборунда.
Карборунд (карбид кремния SiC) получают спеканием
при 1600—1700° С массы, состоящей из кремнезема и мо-
лотого кокса. Карборундовые нагреватели изготавлива-
ются в виде цилиндрических стержней и известны под
Названием силитовых и глобаровых. Как силит, так и
глобар имеют очень высокое удельное электрическое со-
противление, в сотни раз превосходящее удельное сопро-
тивление металлических сплавов. Температурный коэф-
фициент сопротивления у них переменный. Карборундо-
вые стержни подвергаются с течением времени значи-
тельному «старению», поэтому питание таких нагрева-
телей осуществляется от трансформаторов с регулируе-
мым вторичным напряжением.
Для печей с рабочей температурой до 1600° С воз-
можно применение нагревателей из дисилицида молиб-
дена MoSiOa, получаемого методами порошковой метал-
лургии.
Нагреватели из дисилицида молибдена могут рабо-
тать в окислительной среде, их максимальная рабочая
температура равна 1700° С. Выпускаются они в виде
прямых и изогнутых стержней круглого сечения.
Графитовые нагреватели применяются для высоко-
температурных вакуумных печей или печей с нейтраль-
ными атмосферами. Максимальная температура графи-
товых нагревателей 3000° С, но при работе в вакууме
она ниже и зависит от степени разрежения. При высокой
степени разрежения наблюдается значительное испаре-
ние графита.
Нагреватели из графита выполняются стержневыми,
трубчатыми и другой формы. Графит очень хорошо обра-
батывается резанием, и поэтому изготовление стержне-
вых, трубчатых, пластинчатых и другой формы нагрева-
телей основывается на механической холодной обработ-
ке. Питание нагревателей осуществляется от понижаю-
щих трансформаторов с 1/2=104-60 В.
Металлические нагреватели из чистых тугоплавких
металлов (молибдена, тантала, вольфрама, ниобия) при-
меняют для печей с рабочими температурами более
1400° С. Для защиты нагревателей от окисления необхо-
димы вакуум или нейтральные атмосферы (гелий, ар-
гон). Нагреватели выполняются из проволоки, стержней
22
Таблица 1.6. Основные свойства материалов для нагревательных элементов	_						
Материал		Плотность, кг/дм»	Удельное элек- трическое сопро- тивление при 20 °C, КГ* Ом м	Температурный коэффициент электрического сопротивления, (1/«С)Х10»	Температура плавления, °C	Максимальная рабочая темпе- ратура, °C
			Сплавы			1100 1100 1000
Нихромы	( Х20Н80-Н Н20Н80-ТЗ t Х15Н60-Н	8,4 8,2 7,9	Ы 1,27 1,1	0,035 0,022 0,1	1400 1400 1390	
Железохромонике- левые сплавы Нихромы с алюми- нием	'	( Х25Н20С2 1 Х23Н18 f ХН70Ю 1 Х15Н60ЮЗА	7,84 7,8 7,9 7,9	0,92 0,9 1,34 1,21	0,38 0,4	1420 1420 1400 1390	900 900 1200 1200
Железохромоалюми- ниевые сплавы	ОХ27Ю5А ОХ23Ю5А Х13Ю4 . (фехраль)	7,2 7,27 7,3	1,42 1,35 1,26	0,022 0,05 0,15	1525 1525 1450	1300 1200 800
		Чистые тугоплавкие металлы				1700/2200* 2500/2800*
Молибден		10,2 16,6 19,34 8,5	0,052 0,15 0,05 0,17	5,1 4,0	2625 3000	
Тантал				4,3	3400	2500/2800*
Вольфрам Ниобий				4,0	2470	1700/2200*
		Неметаллические материалы				1500 •2300/2800*
Карборунд		2,3 1.6 1.6 5,6	800—1900 8—13	Переменный То же	—	
Графит Уголь Дисилицид молибдена			40-60 0,2—0,4	в > Средний 4,8	—	2300/2800* 1700
• Числитель —в вакууме, знаменатель —		в защитной атмосфере.				
или тонких листов. Питание нагревателей осуществляет-
ся от понизительных трансформаторов с регулируемым
напряжением.
В табл. 1.6 приведены основные свойства материалов
для нагревательных элементов.
1.4. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Под термином «температура» имеют в виду величи-
ну, характеризующую степень нагретости вещества. Не-
посредственно можно лишь весьма приблизительно оце-
нивать температуру тела (холодное, теплое, горячее, рас-
каленное), поэтому приходится прибегать к косвенным
методам измерения температуры — к измерению таких
физических свойств тел, которые однозначно связаны с
их температурой и в то же время могут быть сравнитель-
но просто и с большой точностью измерены. Для этой
цели используют объемное или линейное расширение
тел при нагревании (дилатометрические термометры —
ртутные и манометрические), изменение их электричес-
кого сопротивления (электрические термометры сопро-
тивления), изменение развиваемой ими (в паре с дру-
гим телом) термоэлектродвижущей силы (термопары),
изменение количества излучаемой ими энергии (пиромет-
ры излучения).
В электрических печах для измерения температуры и
в качестве датчиков для автоматического управления
температурным режимом применяют главным образом
термоэлектрические термометры, а в высокотемператур-
ных печах, особенно когда нужно измерить температуру
жидкого металла, используют пирометры излучения.
Термоэлектрические термометры состоят из датчика
(термоэлемента, термопары), измерителя термо-ЭДС и
соединительных проводов. Термоэлементы состоят из
двух разнородных проводников А и В (рис. 1.2,а), со-
единенных друг с другом и образующих замкнутую цепь.
Если температуры мест соединения проводников не оди-
наковы, то в образованной ими цепи появляется термо-
ЭДС и начинает протекать ток. Значение термо-ЭДС за-
висит от материала обоих проводников и разности их
температур. Если температуру одного из соединений to
поддерживать неизменной (например, как это принято,
равной О °C), то термо-ЭДС будет зависеть лишь от тем-
пературы t второго соединения (второго спая).
24
Если цепь из двух таких
проводников разрезать (в
любом месте, в том числе и
в одном из спаев) и вста-
вить в цепь третий провод-
ник (с на рис. 1.2,6 и в), то
термо- ЭДС не изменится,
если температуры обоих
концов третьего проводника
будут одинаковыми. Следо-
вательно, можно в разрез
цепи вставить электроизме-
рительный прибор (рис.
1.2, г и д); требуется лишь,
чтобы на концах ведущих к
нему от термоэлемента про-
водников была одна и та же
температура to или t\ — они
должны присоединяться к
термоэлектродам рядом.
Прибор будет измерять
термо-ЭДС, а следовательно,
спая. Из принципа действия
г
Рис. 1.2. Схемы термоэлектри-
ческой цепи из двух (а) и трех
(б, в) проводников; схемы
включения электроизмеритель-
ного прибора в спай и термо-
электрод термоэлемента (г, д).
и температуру t рабочего
термоэлектрического тер-
мометра следует, что:
1) способ изготовления рабочего конца термоэлемен-
та (сварка, пайка, скрутка) не может влиять на раз-
виваемую им термо-ЭДС, если размеры рабочего
конца таковы, что температура во всех его точках оди-
накова;
2) так как прибор в цепи термоэлемента измеряет не
термо-ЭДС, а протекающий в этой цепи ток, то необхо-
димо, чтобы сопротивление цепи в эксплуатации оста-
валось неизменным и равным его значению при градуи-
ровке. Но осуществить это практически невозможно вви-
ду того, что сопротивление термоэлектродов и соедини-
тельных проводов меняется с изменением окружающей
температуры. Отсюда возникает одна из принципиаль-
ных погрешностей метода — погрешность от несоответ-
ствия сопротивления схемы ее сопротивлению при гра-
дуировке.
Для уменьшения этой погрешности приборы для теп-
ловых измерений выполняются высокоомными (50—
100 Ом при грубых измерениях, 200—500 Ом при более
точных) и с малым температурным коэффициентом со-
25
противления. В настоящее время, как правило, применя-
ются потенциометрические методы измерения термо-
ЭДС;
3) термоэлектрические термометры градуируют всег-
да при определенной температуре свободного конца тер-
моэлемента — при О °C. Обычно в работе температура
свободного конца отличается от градуировочной, в ре-
зультате этого возникает вторая принципиальная по-
грешность метода — погрешность на температуру сво-
бодного конца термоэлемента. Так как эта погрешность
может достигать десятков градусов, необходимо в пока-
зания прибора вносить соответствующую поправку.
В современных приборах эта поправка вносится в их по-
казания автоматически.
Любая пара проводящих разнородных материалов
может быть использована для. создания термо-ЭДС, од-
нако лишь немногие из них применяются для изготовле-
ния термоэлектродов-термопар. Эти материалы должны
развивать высокую термо-ЭДС, значения которой долж-
ны быть по возможности приблизительно пропорциональ-
ны температуре. Материалы должны быть достаточно
жаростойкими, чтобы длительно работать при рабочей
температуре. Они должны также обладать в течение дли-
тельного времени неизменными физическими свойствами
при нагреве до рабочей температуры, и их градуировка
при этом не должна меняться.
Хорошо зарекомендовали себя и получили широкое
распространение следующие термопары.
1)	Платинородий-платиновая (ПП). Положительный
электрод состоит из сплава платины «Экстра» (90%) и
родия (10%), отрицательный электрод — из платины
«Экстра». Ввиду дороговизны материала диаметр элек-
тродов обычно составляет 0,5 мм. Эти термометры могут
быть применены для измерения температур длительно
до 1300 °C и кратковременно до 1600 °C при использова-
нии их в окислительной газовой среде. В этих условиях
термопары зарекомендовали себя как очень надежные.
В восстановительной атмосфере термоэлектроды ПП на-
углероживаются и быстро разрушаются. В вакууме при
1250 °C начинается довольно интенсивное распыление
платины, вследствие чего допустимая температура их
применения в вакуумных печах ниже, чем в печах с окис-
лительной атмосферой.
26
При технических измерениях эти термопары обычно
используются при температуре выше 1000 °C, так как
при более-низких температурах можно использовать
более дешевые и удобные (с большей термо-ЭДС) тер-
мопары из других сплавов.
2)	Хромель-алюмелевый (ХА) термоэлемент выпол-
нен из специально разработанных сплавов хромеля и
алюмеля и обладает сравнительно высокой термо-ЭДС
и строго линейным характером ее изменения в функции
от температуры. Он предназначен для длительного изме-
рения температур до 1000 °C и кратковременного до
1300 °C. В этих пределах он надежно работает в окисли-
тельной атмосфере; образующаяся на его поверхности
пленка окислов защищает внутренние слои от окисления.
Это наиболее распространенный термоэлемент.
3)	Термоэлемент ПР-ЗО/б имеет положительный
электрод, состоящий из платинородиевого сплава с со-
держанием родия 30%, и отрицательный — из такого же
сплава, но с содержанием родия 6%, Он может рабо-
тать при температуре до 1800° С, причем до 200° С его
термо-ЭДС практически равна нулю, вследствие чего не
требуется компенсация температуры свободного конца.
Для измерения самых высоких температур применя-
ются вольфраморениевые термоэлементы (до 2100—
2200 °C) или термоэлементы, один из электродов которых
состоит из чистого графита, а второй — из борида цир-
кония (может работать до 2000 °C) или карбида титана
(до 2500 °C).
Градуировочные кривые указанных и некоторых дру-
гих термоэлементов даны на рис. 1.3.
Термоэлектроды промышленных термоэлектрических
термометров выполняются из проволоки диаметром 2—
3 мм. Они соединяются в рабочем конце сваркой и изо-
лируются один от другого фарфоровыми бусами или со-
ломкой. Оба термоэлектрода помещаются в фарфоровую
защитную трубку с заваренным дном и в жароупорную
металлическую арматуру, на конце которой надета
штампованная или литая головка. В головке термоэлек-
троды соединяются с проводами, ведущими к измери-
тельному прибору. Для термометров, работающих при
температурах выше 1000—1200 °C, применение металли-
ческой арматуры невозможно, вследствие чего термо-
электроды защищаются лишь фарфоровыми трубками
и снабжаются арматурой только у свободного конца — в
27
Рис. 1.3. Кривые зависимости термо-ЭДС от температуры для наи-
более распространенных термоэлементов.
ХА — хромель-алюмель; ХК — хромель-копель; ЖК — железо-копель; МК —
медь-копель; ПП — платинородий-платина; ПР-30-6 — платинородий-платино-
родий; ТМС В-340М—силицид молибдена-силицид вольфрама; ТГБЦ-350М — гра-
фит-борид циркония; Т Г КТ-360М — графит-карбид титана.
зоне низкой температуры. Огнеупорный фарфор может
работать до 1500 °C; при'более высоких температурах
применяются трубки и бусы из спеченной окиси алюми-
ния или окиси бериллия.
Термопары с графитовым электродом выполняются
без защитных трубок, так как их роль играет сам гра-
фитовый электрод, выполняемый трубчатым, со вторым
электродом по его оси.
Сопротивление термоэлектродов стандартных термо-
пар из неблагородных металлов составляет 0,13—0,18 Ом
28
на 1 м длины, для платиноро-
дий-платиновых (диаметром
0,5 мм) —1,5—1,6 Ом на 1 м.
Тепловая инерция стандар-
тных термопар очень велика,
причем она определяется в ос-
новном фарфоровой защитной
трубкой. В тех случаях, ког-
да такая инерция датчи-
Рис. 1.4. Принципиальная
схема потенциометра с по-
стоянным током в компен-
сационной цепи.
ка крайне нежелательна
(например, при двухпозицион-
ном регулировании), применя-
ются термопары без защитной
огнеупорной трубки с вварен-
ными в дно защитной арматуры термоэлектродами или
с очень тонкой фарфоровой трубкой.
Для того чтобы исключить при измерении температу-
ры термоэлектрическими приборами погрешность от не-
соответствия сопротивления контура его сопротивлению
при градуировке, применяется потенциометрический ме-
тод измерения термо-ЭДС. При этом методе термо-ЭДС
термоэлемента сравнивается с падением напряжения на
участке реохорда /?р (рис. 1.4), питаемого от батареи А,
в котором всегда поддерживается вполне определенный
заданный ток. При измерении (ключ К. включен, пере-
ключатель П в положении 2) движок реохорда.передви-
гается до тех пор, пока нуль-прибор НП не покажет от-
сутствие тока в цепи термоэлемента, что будет соответ-
ствовать равенству термо-ЭДС и падения напряжения в
левой части реохорда. Так как в момент измерения ток
в контуре термоэлемента отсутствует, то сопротивление
этого контура и его изменения не могут влиять на ре-
зультаты измерения.
При постоянном токе в реохорде падение напряже-
ния в нем пропорционально его длине, поэтому реохорд
можно отградуировать в милливольтах или непосредст-
венно в градусах.
Для проверки тока в компенсационной цепи исполь-
зуется стабилизированный источник напряжения, напри-
мер нормальный элемент Вестона НЭ (рис. 1.4), ЭДС
которого сравнивается с падением напряжения на эта-
лонном резисторе /?н,э, для-чего переключатель П ста-
вится в положение 1. Так как ЭДС нормального элемен-
та строго постоянна, моменту ее равенства падению на-
29
пряжения на /?н,» соответствует вполне определенный
ток компенсационной цепи. Установка этого тока осуще-
ствляется при помощи реостата г. В современных авто-
матических потенциометрах такая стандартизация тока
осуществляется периодически самим прибором.
Так как реохорд и эталонный резистор могут быть
выполнены с очень большой точностью, так же как и под-
держание неизменным тока в реохорде, то точность изме-
рения в таких потенциометрах может быть доведена до
0,1%. Технические приборы выпускаются класса точно-
сти 0,5.
Как уже отмечалось, температура свободного конца
термопары может весьма сильно отличаться от градуи-
ровочной и достигать 100 °C, особенно если головка тер-
мопары находится около кожуха печи. Для того чтобы
снизить температуру свободного конца и ее изменения во
времени, надо довести конец до помещения, где темпе-
ратура сравнительно стабильна, например до зажимов
измерительного прибора, расположенного на щите управ-
ления. Однако вести термоэлектроды по помещению до
указанного места неудобно, так как они выполнены из
жесткой проволоки без изоляции, а некоторые чересчур
дороги (например, платина и ее сплавы). Поэтому го-
ловку термопары соединяют с измерительным прибором
не самими термоэлектродами, а компенсационными про-
водами— многожильными, гибкими, в изоляции, кото-
рыми удобно вести монтаж. Эти провода состоят также
из двух материалов (прямой и обратный провод), кото-
рые подбирают таким образом, чтобы в паре друг с дру-
гом они давали в пределах 0—100 °C такую же термо-
ЭДС, как и основные термоэлектроды при таких же тем-
пературных условиях. Для каждого типа термоэлемента
имеются свои компенсационные провода, отличающиеся,
чтобы их не спутать, своей маркировкой оплетки. Для
того чтобы исключить погрешность от колебаний темпе-
ратуры в измерительном приборе, к которому подведен
свободный конец (с помощью компенсационных прово-
дов), последовательно с термопарой в приборе включа-
ется мост компенсации температуры свободного конца
(рис. 1.5). Он состоит из резисторов Ri, /?2, /?з, /?«, а его
диагональ питается постоянным током от выпрямителя
В. Из этих резисторов три выполняются из манганина,
и их сопротивления не зависят от окружающей темпера-
туры, а резистор Ri — из меди или никеля и размещает-
30
Рис. 1.5. Принципиальная схема моста компенсации температуры
свободного конца термопары.
ся около места присоединения компенсационных прово-
дов с тем, чтобы их температуры были одинаковы. Со-
противление /?1 рассчитывается таким образом, чтобы
при О °C мост был уравновешен и напряжение на его
выходной диагонали cd равнялось нулю. Если же темпе-
ратура резистора Ri (а следовательно, и свободных кон-
цов компенсационных проводов) повысится, то на вы-
ходной диагонали моста появится напряжение, которое
компенсирует уменьшение термо-ЭДС термоэлемента,
вызванное нагревом его свободного конца.
Современные автоматические потенциометры содер-
жат такой мост компенсации температуры свободного
конца термоэлемента. Принципиальная схема такого по-
тенциометра показана на рис. 1.6. Реохорд Rv включен в
схему моста компенсации температуры свободного кон-
ца термоэлемента из четырех резисторов, из которых
₽а> Rb> ₽к выполнены из манганина, а —из меди.
Падение напряжения на реохорде в сумме с напряжени-
ем выходной диагонали моста должно уравновешивать
термо-ЭДС термоэлемента Т; в этом случае поступаю-
щий на вибропреобразователь ВП (схема в положении
«Измерение», переключатель П в верхнем положении И)
сигнал равен нулю. Если же баланс нарушается (термо-
ЭДС термоэлемента становится больше или меньше по-
тенциала между точками А и В), то на вибропреобразо-
ватель подается сигнал разбаланса того или иного знака.
31
Рис. 1.6. Принципиальная схема автоматического потенциометра.
Этот сигнал в вибропреобразователе превращается в
сигнал переменного тока, который через трансформатор
Тр подается в усилитель переменного тока У. Усиленный
сигнал передается на реверсивный двигатель РД и при-
водит его во вращение. Направление вращения двигате-
ля зависит от фазы сигнала. Он может совпадать по фа-
зе с напряжением питающей сети или может быть сдви-
нут на 180° в зависимости от полярности сигнала, т. е.
от того, что больше — термо-ЭДС или напряжение Пав-
Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда в сто-
рону восстановления баланса и одновременно указатель
температуры УТ с пером, записывающим эту температу-
ру на двигающейся вниз бумажной ленте БЛ.
Переключатель П периодически переключается в
нижнее положение К, при этом вибропреобразователь
оказывается подключенным к сумме напряжения нор-
мального элемента НЭ (или другого стабилизированно-
го источника напряжения) и падения напряжения на
эталонном резисторе /?к, ^ходящем в мост компенсации
температуры свободного конца. Эти напряжения направ-
лены противоположно, поэтому, если они равны и, сле-
довательно, ток моста (а значит, и реохорда) соответст-
вует заданному, то результирующий сигнал равен нулю.
Если же ток моста отклонился от заданного значения в
ту или иную сторону, то на вибропреобразователе появ-
ляется сигнал того или иного знака и реверсивный дви-
гатель, который при переключении переключателя П от-
32
ключился от реохорда и подключился к реостатам тон-
кой и грубой регулировки Hi и R2, включенным в питаю-
щую диагональ моста, начинает перемещать их движки
в нужную сторону. Тем самым восстанавливается равен-
ство между падением напряжения на резисторе и
напряжением нормального элемента, а следовательно, и
заданное значение тока реохорда.
Класс точности современных автоматических потен-
циометров равен 0,5 и даже 0,25; для обслуживания
электропечей прецизионного нагрева применяются узко-
предельные потенциометры со шкалой ±125, 250 и
500 мкВ, на которые подается лишь небольшая часть раз-
виваемой термоэлементом термо-ЭДС, в то время как
основная ее часть уравновешивается «подавителем ну-
ля»— добавочным прецизионным источником напряже-
ния. Это позволяет регистрировать не полное значение
температуры, а лишь ее колебания в узких пределах, НО
точность регистрации может достигать 0,1 ’’С.
Автоматические потенциометры используются не толь-
ко для записи, но и для регулирования температурного
режима печей.
В тех случаях, когда измерение температуры объекта
путем непосредственного контакта с ним датчика невоз-
можно из-за слишком высокой температуры, агрессивно-
го характера среды или быстрого перемещения объекта,
применяют пирометры излучения, основанные на связи
между температурой тела и количеством излучаемой им
энергии. При этом можно использовать для измерения
температуры излучающего тела всю излучаемую им
энергию — в этом случае мы будем иметь дело с пиро-
метрами полного излучения, или радиационными. Можно
использовать лишь часть спектра излучения, выделив с
помощью светофильтра узкий участок монохроматичес-
кого излучения (пирометры частичного излучения, или
оптические). Наконец, можно выделить два монохрома-
тических участка излучения в разных частях спектра и
судить о температуре объекта, сравнивая их интенсив-
ность,— на этом основаны цветовые пирометры.
В радиационных пирометрах полное излучение тела
направляется с помощью оптической системы на рабочий
конец термоэлемента и нагревает последний. Чем выше
температура излучающего тела, тем больше его излуче-
ние и тем больше, следовательно, температура рабочего
конца термоэлемента и его термо-ЭДС. Поэтому такой
3-859	S3
прибор можно градуировать непосредственно на темпе*
ратуру измеряемых тел.
Но так как излучение тела зависит не только от его
температуры, но и от его коэффициента теплового излу-
чения, разные тела при одной и той же температуре бу-
дут посылать на рабочий конец термоэлемента пиромет-
ра разное количество энергии. Поэтому градуировку
этих пирометров производят по специальной эталонной
лампе, имеющей свойства абсолютно черного тела. При
измерении температуры реальных физических тел пиро-
метр будет показывать меньшую против действительной
яркостную температуру интегрального излучения. Для
большинства нагреваемых в электрических печах изде-
лий и материалов, поверхность которых окислена, коэф-
фициент теплового излучения в=0,9-т-0,7, и для них по-
грешность измерения составит 2,5—9,0%. В случае
нагрева в защитной атмосфере или в вакууме, когда по-
верхность тел блестящая и е достигает 0,4—0,3, погреш-
ность равна 25—35%. Поэтому с помощью радиационно-
го пирометра нельзя вести точное измерение температу-
ры, пользоваться им можно лишь в случаях, когда по-
верхность объекта излучения близка по своим свойствам
к абсолютно черному телу или точно известен коэффи-
циент теплового излучения тела, температуру которого
надо измерить.
Значительно более точными по сравнению с радиа-
ционными являются оптические пирометры (пирометры
частичного излучения). Они работают на принципе срав-
нения яркости свечения измеряемого тела с яркостью
свечения нити электрической лампочки, температура ко-
торой однозначно связана с проходящим через нее то-
ком. Сравнение осуществляется наблюдателем, причем
человеческий глаз способен весьма точно уловить момент
равенства яркостного свечения обоих объектов, когда
температуры и нити, и измеряемого тела будут равны и
могут быть определены по* показанию включенного в цепь
лампы прибора, заранее проградуированного непосредст-
венно в градусах.
При работе с оптическим пирометром используют не
всю энергию излучения нити и измеряемого тела, а лишь
часть ее в зоне красного'излучения с максимумом интен-
сивности при длине волны около 0,65 мкм. Для этой цели
перед глазом наблюдателя установлен красный фильтр
задерживающий все волны с длиной менее 0,62 мкм
34
С другой стороны зона ограничена чувствительностью че-
ловеческого глаза, которая спадает до нуля для лучей с
JL=0,7 мкм.
Использование монохроматического излучения в об-
ласти видимой части спектра вызвано тем, что интенсив-
ность этого излучения растет с увеличением температуры
намного быстрее по сравнению с интегральным излуче-
нием, и поэтому малые изменения температуры дают при
этом большие отклонения яркости, что намного повышает
точность измерения. Выбор красного светофильтра, обес-
печивающего работу прибора с монохроматическим из-
лучением при А=0,65 мкм, обусловлен желанием произ-
водить измерения сравнительно низких температур
(700—1000°С), так как в этом диапазоне интенсивность
красного излучения наибольшая.
Оптические пирометры, как и радиационные, градуи-
руют по излучению абсолютно черного тела. Поэтому при
измерении температур реальных тел они показывают
более низкую по «сравнению с действительной — так на-
зываемую яркостную монохроматическую температуру,
т. е. температуру абсолютно черного тела, при которой
интенсивность монохроматического излучения последне-
го равна интенсивности монохроматического излучения
реального тела. Однако погрешность от неполноты излу-
чения у оптического пирометра меньше, чем у радиацион-
ного. Так, при коэффициенте теплового излучения 0,9—
0,7 погрешность в измерении равна 7—25 °C при изме-
рении температуры около 1000 °C и 15—50 °C при изме-
рении температуры 1500 °C, т. е. достигает 0,7—3,0%.
Тем не менее для неокисленных тел (в вакууме, защит-
ной атмосфере) с е=0,3-?-0,4 эта погрешность может
достигать 100 °C.
Схема оптического пирометра показана на рис. 1.7.
Он представляет собой телескоп, в котором изображение
нагретого тела проектируется объективом 3 на плоскость
вольфрамовой нити специальной лампы накаливания /;
это изображение и нить можно рассматривать через оку-
ляр 4, причем наблюдатель видит на фоне тела либо бо-
лее темное, либо более светлое изображение нити. Регу-
лируя реостатом 2 ток в лампе, можно добиться полного
исчезновения средней части нити на фоне измеряемого
тела, что соответствует равенству их температур. Вклю-
ченный в цепь нити накала лампы миллиамперметр зара-
нее градуируется в градусах и, следовательно, показы-
3*
35
Рис. 1.7. Оптический пирометр с исчезающей нитью.
вйет температуру нити, поэтому по нему можно прямо
прочесть измеряемую яркостную температуру.
В окуляре имеется красный светофильтр 5 с механиз-
мом установки 6, обеспечивающий сравнение яркости
нити и нагретого тела в лучах' с длиною волны 0,65 мкм.
Для того чтобы иметь возможность измерять более вы-
сокие температуры, используется нейтральный (дымча-
тый) светофильтр 7, который может быть установлен
при помощи механизма 8 между объективом и лампой.
Этот светофильтр задерживает часть лучей, идущих от
измеряемого тела, и яркость нити сравнивается с пони-
женной яркостью объекта. Применяя несколько таких
фильтров с разной степенью поглощения, можно полу-
чить несколько температурных диапазонов применения
пирометра. Нижняя граница измеряемых температур
равна 700 °C, наивысшая может быть доведена до
4000 °C.
Оптические пирометры в отличие от радиационных
требуют наблюдателя и поэтому не могут быть исполь-
зованы для регистрации или автоматического регулиро-
вания. В последних случаях необходимо заменить на-
блюдателя чувствительным к интенсивности излучения
датчиком, например фотоэлементом, при этом подбира-
ют такие фотоэлементы, чтобы они вместе с соответст-
вующими светофильтрами обеспечивали измерение в
нужном узком диапазоне волн.
На рис. 1.8 показана принципиальная схема яркост-
ного фотопирометра. Световой поток от измеряемого
объекта через линзу 1, диафрагму 2 и светофильтр 3 по-
36
Рис. 1.8. Принципиальная схема яркостного фотоэлектрического
пирометра.
падает на фотоэлемент 4, включенный в цепь источника
постоянного тока. В зависимости от освещенности фото*
элемента меняются ток в последнем и напряжение на ре-
зисторе 5, а следовательно, и потенциал сеткн лампы 6.
В результате изменяются анодный ток лампы и падение
напряжения на резисторе 7, которое сравнивается с по-
мощью нуль-прибора НП с падением напряжения на рео-
хорде 8. Движок последнего показывает температуру.
Фотопирометры используются как для измерения,
так и для регистрации и регулирования температур.
Глава вторая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
2.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Электрические печи сопротивления по способу цре-
вращения электрической энергии в тепловую разделяют-
ся на печи косвенного действия и установки прямого на-
грева.
Печи сопротивления косвенного нагрева являются
наиболее массовыми представителями электротермичес-
кого оборудования н вместе с тем весьма разнообразны
по технологическому назначению и конструкциям. По
технологическому назначению печи сопротивления кос-
венного нагрева можно разделить на три группы:
1)	термические печи для различных видов термичес-
кой и термохимической обработки черных и цветных ме-
37
таллов, стекла, керамики, металлокерамики, пластмасс
и других материалов;
2)	плавильные печи для плавки легкоплавких цвет-
ных металлов и химически активных тугоплавких метал-
лов и сплавов;
3)	сушильные печи для сушки лакокрасочных покры-
тий, литейных форм, обмазок сварочных электродов,
металлокерамических изделий, эмалей и т. п.
В каждой из этих групп печи по характеру работы, в
свою очередь, можно разделить на печи периодического
и непрерывного действия.
Для печи периодического действия (садочной) харак-
терно неизменное положение нагреваемого тела (садки)
в течение всего времени пребывания в печи. Цикл рабо-
ты печи включает загрузку, тепловую обработку по за-
данному режиму и выгрузку. Печь может работать круг-
лосуточно (тогда циклы непрерывно следуют друг за
другом) или с перерывами — в одну или две смены.
В печи непрерывного действия (методической) нагре-
ваемые изделця или материалы перемещаются в процес-
се тепловой обработки от загрузочного конца к разгру-
зочному и изменение, температуры нагреваемых тел
происходит вместе с их движением.
Печи сопротивления косвенного нагрева разделяются
по температурному режиму на низко-, средне- и высоко,
температурные.
У первых верхняя температурная граница лежит в
пределах 600—650° С и процессы теплообмена идут с
значительной или даже преобладающей ролью конвек-
ции. Низкотемпературные печи часто называют конвек-
ционными печами.
В средне- и высокотемрературных печах теплообмен
внутри печи осуществляется в основном излучением, а
доля конвективного теплообмена незначительна. Печи
е преобладающим лучистым теплообменом иногда назы-
вают радиационными.
Среднетемпературные печи имеют верхнюю темпера-
турную границу 1200—1250° С, определяемую возмож-
ностью применения для нагревательных элементов спе-
циальных сплавов сопротивления. Технологические при-
менения этих печей весьма обширны: процессы закалки,
нормализации, отжига, термохимическая обработка чер-
ных металлов, нагрев под обработку давлением черных
и цветных металлов и т. п.
38
Печи с рабочей температурой выше 1250° С — высо-
котемпературные— за последние годы получили значи-
тельное распространение для ряда технологических про-
цессов: выращивания монокристаллов, термообработки
и нагрева под горячую деформацию тугоплавких метал-
лов, спекания металлокерамических изделий и т. д.
Для многих технологический процессов требуются ва-
куум или инертные газы в рабочем пространстве Печи,
поэтому в ряде случаев печи сопротивления выполняют
вакуумными, газонаполненными или вакуумно-компрес-
сионными.
В последнем случае предполагается возможность теп-
ловой обработки как в вакууме, так и при высоких дав-
лениях подаваемого в зону нагрева газа.
2.2.	ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
КОСВЕННОГО НАГРЕВА
Печи периодического действия разнообразны по кон-
струкциям; их применяют в индивидуальном или мелко-
серийном -производстве. Из них наиболее широко рас-
пространены камерные, шахтные, колпаковые, печи с
выдвижным подом, элеваторные и термические электро-
печи-ванны.
Камерные электропечи сопротивления весьма просты
по конструкции и вместе с тем универсальны по назна-
чению. В основном они предназначаются для различных
видов термической обработки изделий из металлов.
Отечественная промышленность выпускает камерные
печи серийно на рабочие „температуры до 700, 1000 и
1250° С с металлическими нагревателями из специаль-
ных сплавов, а на рабочую температуру до 1300 и 1600° С
с нагревателями из карборунда и дисилицида молибдена.
Все серийные камерные печи на максимальную тем-
пературу 700° С снабжаются вентиляторами для ин-
тенсификации процесса нагрева' и увеличения равно-
мерности распределения температуры в рабочем прост-
ранстве печи.
На рис. 2.1 показана камерная электропечь на рабо-
чую температуру до 1000° С с защитной атмосферой.
Стены камеры печи выложены огнеупорным материа-
лом и тепловой изоляцией. Огнеупорный слой кладки
формирует (кирпичами, блоками) рабочее пространство
печи, несет нагревательные элементы -печи и загружае-
39.
ic. 2.1. Камерная электропечь.
— дверца; 2 —боковой нагреватель; 3 —сводовый нагреватель; 4 —футеров*
; 5 — кожух; 6 — коробка выводов нагревателей; 7 *- подвод газа; 3 — подо*
вые нагреватели; 9 — подовая плита; 10 — термопара.
мне в печь изделия. Тепловая изоляция в виде кирпичей,
блоков, плит или засыпки служит для ограничения теп-
ловых потерь.
Загрузка изделий осуществляется вручную, краном
или с помощью загрузочные механизмов, устанавливае-
мых перед дверцей печи. При большой производительнос-
ти и для тяжелых загрузок выпускают камерные печи с
механизированной загрузкой и- выгрузкой изделий. Двер-
цы небольших камерных печей имеют педальный или
пневматический привод; для Дверец больших печей при-
меняют электромеханический привод.
Основной эксплуатационный недостаток камерных
печей (немеханизированных) — трудность загрузки и вы-
грузки изделий. Тепловой КПД печей существенно зави-
сит от технологического процесса, но обычно не превы-
шает 65—70%.
Шахтные электропечи применяют в мелкосерийном
производстве для различных видов термообработки длин-
40
Ибк1ё^нУх, крупногабаритных или мелких изделий в кор-
зинах. Форма рабочего пространства печи и его разме-
ры определяются формой и габаритами загрузки. Печи
Выпускаются круглого и квадратного сечений на разные
размеры рабочего пространства и различные температу-
ры. Рабочее пространство печи перекрывается крышкой,
которая может иметь ручной, пневматический, гидравли-
ческий или электромеханический привод.
Печи с рабочей температурой до 700° С снабжаются
вентиляторами. Вентиляторы устанавливают также на
печах для химико-термической обработки, в которых су-
щественное значение имеет равномерное обтекание по-
верхности обрабатываемых изделий газом, содержащим
легирующие компоненты (азот, углерод и т. п.).
Шахтные печи с нагревателями из специальных спла-
вов строят на максимальную температуру до 1250° С.
В печах с рабочей температурой до 1350 и 1600° С при-
меняют нагреватели из карбида кремния (карборунда,
силита, глобара) и дисилицида молибдена.
Печи индивидуального исполнения предназначаются
для конкретных технологических процессов. Например,
шахтная печь для отжига дисков диаметром до 6 м уни-
кального телескопа характерна очень высокой степенью
точности поддержания температурного режима и равно-
мерности распределения температуры в рабочем прост-
ранстве.	I
Серийные'печи предназначаются для массового про-
изводства при аналогичных процессах термообработки
изделий.
На рис. 2.2 представлена серийная шахтная электро-
печь. для нагрева длинномерных изделий под закалку.
Масса загрузки до 2 т, рабочая температура печи 1050°С.
Общая мощность печи 336 кВт.
Колпаковые печи имеют цилиндрическую или прямо-
угольную форму рабочего пространства, которое обра-
зуют колпак (подвижная часть электропечи) и стенд
(неподвижная часть, несущая загрузку)/ Колпаковые
печи предназначаются в основном для процессов безо-
кислительного отжига листового проката, ленты, прово-
локи, прутков. Установленная на стенде загрузка закры-
вается жароупорным муфелем, под который подается
защитный газ. Для некоторых сортов стали требуется
вести нагрев в вакууме; для этого печи снабжаются ва-
куумной системой, и под муфелем создается разрежение'.
41
Рис. 2.2. Шахтная электропечь.
/-р футеровка; 2 — нагреватель; 3 — крышка; 4 —механизм подъема и пово-
рота крышки.
Колпак с помощью цеховых ' подъемно-транспортных
средств перемещается с одного стенда (по окончании
цикла) на другой. На один колпак имеются 2—3 стен-
да, работающих в строгой, рпределяемой технологичес-
ким процессом последовательности. Колпаковые печи из-
готовляются для индивидуального назначения и серий-
ные на рабочую температуру до 350° С — для низкотем-
пературного отпуска и на рабочую температуру до
1200° С — для безокислительного отжига.
На рис. 2.3. изображена прямоугольная колпаковая
электропечь для отжига тонколистовой стали в защитной
атмосфере. Габариты загрузки 1,5Х2,0Хб>0 м, масса-
42
Рис. 2.3. Колпаковая электропечь.
1 — каркас колпака; 2 — футеровка колпака; 3 — каркас стенда; 4 — футеров-
ка стенда; 5, 6 — нагреватели колпака; 7 — нагреватели стенда; 8 — муфель; -
5 — газопровод; /0 —гибкий токоподвод; // — термопара; 12 — коробка выво-
дов; 13 — подовая плита; 14 — электрический разъемный контакт.
до 100 т. Мощность печи 570 кВт (колпак — 500 кВт;
стенд — 70 кВт). Мощность нагревателей стенда обеспе-
чивает разогрев его кладки и компенсирует тепловые по-
тери нижней части печи.
Печи с выдвижным подом являются механизирован-
ной модификацией камерных печей. Под печи (футеро-
ванная тележка с загруженными изделиями) перемеща-
ется в камеру и обратно после осуществления нагрева.
Нагреватели располагаются на стенках камеры и на по-
ду (тележке). Питание к подовым нагревателям подво-
43
дится с помощью контактных устройств или гибкими ка-
белями. Печи этого типа применяются для отжига круп-
ногабаритных изделий — отливок, сварных изделий, про-
ката.
Для работы с защитными атмосферами применяют
муфель, закрывающий загрузку, под который подается
газ.
Печи .с выдвижным подом выпускаются серийно на
температуры 700, 1000 и 1250° С, а также для индивиду-
альных технологических процессов. Мощность крупных
печей с выдвижным подом достигает 3—5 тысяч кило-
ватт в единице.
Элеваторные печи — это электропечи с подъемным
подом. Они имеют камеру прямоугольной или цилиндри-
ческой формы, поднятую над уровнем пола на колоннах.
Подъемный под — футерованная тележка, несущая
загрузку, — платформой с гидравлическим или электро-
механическим приводом поднимается в камеру и остает-
ся поднятой в течение всего времени пребывания изде-
лий в печи. Тележку удерживает в поднятом состоянии
специальный механизм, а платформа возвращается в
нижнее положение на уровень пола.
Печи этого типа в основном предназначаются для
длительных процессов термообработки (отжига) крупно-
габаритных литых и сварных изделий.
Электрические печ^ванны применяются для терми-
ческой обработки ответственных длинномерных и тонко-
стенных металлических изделий в индивидуальном и
мелкосерийном производстве. Нагрев в них осуществля-
ется жидкими теплоносителями (маслом, щелочами, рас-
плавами солей).	1
Электрическая печь-ванна имеет вид шахтной печи со
встроенной в рабочее пространство ванной или тиглем.
Электропечи-ванны бывают: с внешним обогревом, в ко-
торых нагреватели расположены на внутренней поверх-
ности огнеупорной кладки; с внутренним обогревом труб-
чатыми погруженными в теплоноситель электронагрева-
телями; с внутренним обогревом электродными группами
(однофазными и трехфазными) — в этом случае ток
протекает в теплоносителе между электродами.
Особенно широко распространены электродные соля-
ные ванны; в них одновременно обеспечивается быстрый,
равномерный и безокислительный нагрев изделий. Под-
бором состава солей можно также проводить и термохк-
44
7
Рис. 2А Электродная соляная ванна.
/ — токоподвод; 2 —зонт; 3 — электродная группа; 4 — перегородка; 5 —фу-
теровка; 6 — внутренний кожух; 7 —пирометр; 9 — наружный кожух.
мическую обработку (цементацию, азотирование, бори-
рование и т. п.). На рис. 2.4 изображена серийная элек-
тродная ванна на рабочую температуру до 1300° С.
Ванна прямоугольной формы выложена огнеупорным
шамотным кирпичом в промежуточном металлическом
кожухе-тигле, вместе с которым она может легко извле-
каться из печи и заменяться новой. Промежуточный ко-
жух служит также для предохранения тепловой изоля-
ции от проникновения расплавленных солей. В ванне
вдоль одной из сторон помещены три цилиндрических
стальных электрода, к которым через электрододержате-
ли и шинопровод подведено напряжение от вторичных
46
обмоток понижающего трансформатора, устанавливаемо-
го непосредственно около печи. Трансформаторы ванн
имеют переключатели ступеней напряжения, позволяю-
щие регулировать подводимое к электродам напряжение
в пределах от 6 до 18 В.
Электродные соляные ванны предназначаются для
безокислительного нагрева изделий до температуры, не
превышающей 1300° С, и применяются главным образом
для термообработки режущего и ударного инструмента.
Печи непрерывного действия (методические) харак-
терны тем, что изделия (или материалы) в процессе на-
грева перемещаются от загрузочного проема к разгрузоч-
ному.
Печи непрерывного действия применяют при массо-
вом поточном производстве; наибольшее распростране-
ние они получили как агрегаты для различных видов тер-
мической обработки (закалки, отжига, отпуска и т. д.)
черных и цветных металлов, но применяются и для на-
грева металлических заготовок под горячую деформа-
цию, для термообработки стекла, керамики, процессов
сушки и других технологических процессов, связанных с
нагревом.
Печи непрерывного действия, как правило, выполня-
ются многозонными. Каждая зона имеет самостоятельно
регулируемые по мощности в зависимости от температу-
ры нагревательные элементы. Мощность и рабочая тем-
пература в зонах зависят от технологического режима
термообработки и характера загрузки. По сравнению с
печами периодического действия печи непрерывного дей-
ствия имеют ббльшую производительность и меньший
удельный расход электроэнергии.
Название типов печей непрерывного действия чаще
всего соответствуют виду механизма, перемещающего за-
грузку.
Конвейерные печи. В них изделия перемещаются
внутри рабочего пространства печи, представляющего
собой длинную прямоугольнуЬ камеру, на конвейерной
ленте из жаропрочного материала. Конвейерная лента
в зависимости от габаритов, массы нагреваемых изделий
и температурного режима может иметь различные кон-
структивные исполнения: сетчатая — плетеная из прово-
локи, собранная из штампованных или литых звеньев
различной формы. Для очень крупных изделий конвейер-
ная лента выполняется состоящей из цепей,
46
Конвейерная лента натянута на барабаны, один из
которых — ведущий. Вал ведущего барабана через при-
водной механизм связан с электродвигателем постоянно-
го или переменного тока.
При применении двигателя переменного тока в соста-
ве приводного механизма должен быть'вариатор, позво-
ляющий изменять частоту вращения ведущего бараба-
на, а следовательно, и скорость движения ленты с загруз-
кой. Натяжение конвейерной ленты осуществляется со
стороны ведомого барабана специальным устройством—
натяжной станцией, обеспечивающей изменение расстоя-
ния между осями барабанов при удлинении конвейерной
ленты во время ее работы.
Барабаны конвейерных закалочных печей размеща-
ются внутри рабочей камеры, в связи с чем уменьшаются
тепловые потери печи, так как конвейер не теряет пол-
ностью теплоту, приобретенную во время нагрева загруз-
ки, но при этом усложняется ремонт конвейера и валы
барабанов требуют водяного охлаждения.
Барабаны печей для отпуска, отжига, спекания и дру-
гих процессов, требующих охлаждения загрузки в каме-
ре охлаждения, примыкающей непосредственно к камере
нагрева, вынесены за пределы печи, при этом конвейер-
ная лента, проходя вне печи, полностью охлаждается, но
зато существенно упрощается ремонт конвейера.
Конвейерные печи применяют для различных видов
термической обработки изделий из черных и цветных ме-
таллов, для пайки медными припоями, сушки и других
процессов, температура которых не превышает 1000—
1100° С.
На рис. 2.5 изображена конвейерная закалочная элек-
тропечь, предназначенная для работы с защитной атмос-
ферой с максимальной рабочей температурой 1000° С.
Толкательные печи. Печь (рис. 2.6) представляет со-
бой прямоугольную камеру, в торцах которой имеются
загрузочный и разгрузочный проемы, перекрываемые
дверцами. Изделия проталкиваются по направляющим
(рельсам, роликам) пода печи толкательным механиз-
мом, находящимся перед загрузочной дверцей печи. Тя-
желые изделия правильной прямоугольной формы (на-
пример, слитки) перемещаются по направляющим непос-
редственно, образуя «поезд» из отдельных изделий внут-
ри печи. Мелкие изделия или изделия сложной конфигу-
рации проталкиваются загруженными в специальные
Рис. 2.5. Конвейерная закалочная электропечь.
1 — кожух печи; 2 — футеровка; 3 — нагреватели; 4 — привод конвейера; 5 — натяжное устройство.

поддоны или башмаки. Толкатель может иметь электро-
механический или гидравлический привод. Выгрукза мас-
сивных изделий из печи (одного изделия или поддона)
производится перед включением толкателя-специальным
механизмом-таскателем, аналогичным по устройству и
приводу толкательному механизму.
Толкательные печи применяются для отжига, норма-
лизации, цементации и закалки стальных изделий, а так-
же для термической обработки изделий из цветных ме-
таллов и чугуна.
Разновидностью толкательных печей являются ручье-
вые печи, в которых перемещение сравнительно неболь-
ших изделий правильной формы осуществляется по уз-
ким жароупорным лоткам-ручьям в несколько рядов по
ширине рабочей камеры печи. В каждом ручье проталки-
вание изделий’ осуществляется автономно — своим тол-
кателем. Ручьевые печи, в частности, используются в ав-
томатической линии производства подшипников качения
для закалки колец.
Рольганговые печи (рис. 2.7). В печах этого типа пе-
ремещение изделий достигается вращением жароупорных
роликов, размещенных на поду печи. Каждый ролик вы-
ходит за пределы кладки печи и опирается на подшипни-
ки, установленные на кожухе печи. Вращение роликов
обеспечивается приводом рольганга с двигателем посто-
янного или переменного тока.
Рольганговые печи применяют для термической обра-
ботки листового и фасонного проката, труб, тонкостен-
ных крупногабаритных изделий. Для деталей неудобной
для перемещения по рольгангу формы применяют под-
доны. Максимальная рабочая температура рольганговых
печей 1100—1200° С ограничивается предельной темпе-
ратурой жаропрочных сталей, из которых изготавлива-
ются ролики.
Барабанные электропечи. Перемещение изделий в
этих печах осуществляется внутри вращающегося бара-
бана (муфеля) из жаропрочной стали. Барабан имеет
внутри ребра, образующие винтовую полость, по которой
изделия перемещаются превращении барабана от загру-
зочного конца к разгрузочному. ^Барабанная электропечь
(рис. 2.8) предназначена для закалки мелких стальных
изделий, имеющих округлую, без острых кромок форму
(ролики, шарики, мелкие кольца и т. п,). Непосредствен-
но под камерой печи размещен закалочный бак, в кото-
90
13*5
87D
Я
Рис. 2.7. Рольганговая электропечь.
1 — коробка выводов; 2 — нагреватели; 3 футеровка; 4 — кожух; 5— съемный свод; 6 — механизм подъема дверцы; 7 — привод
рольганга; 8 — ролик.
Рис. 2.8. Барабанная электропечь.
/ — загрузочное устройство; 2 — крышка; 3 — муфель; 4 — нагреватели; 5 —•
кожух; 6 — футеровка; 7 — закалочный бак; 8 — привод муфеля.
рый падают из разгрузочного лотка закаливаемые дета-
ли. Изделия из закалочного бака транспортируются на-
клонным шнеком. Со стороны загрузочного конца
барабана печи размещается загрузочное устройство, до-
зирующее подачу изделий в барабан.
Имеется большое разнообразие печей непрерывного
действия, применяемых для нагрева различных загру-
зок [2].	,
Так, карусельные печи имеют кольцевой вращающий-
ся под, на который через загрузочный проем подаются
изделия. Перемещаясь вместе с кольцевым подом, изде-
лия нагреваются и, совершив почти полный оборот, вы-
гружаются через разгрузочный проем.
В печах с шагающим, подом перемещение изделий
вдоль печи осуществляется шагами — цикличным дви-
жением футерованной подовой балки, являющейся под-
вижной частью пода печи по всей его длине. Балка под-
нимается вверх на незначительную высоту, приподнимая
загрузку над неподвижной частью пода, переносит ее
вперед в сторону разгрузочного кЬнца на определенное
расстояние (шаг балки), затем движется вниз, опускает
62
загр/зку на неподвижную часть пода и возвращается на*
зад в исходное положение.
Основное преимущество печей с шагающим подом и
карусельных состоит в том, что они не имеют внутри жа-
роупорных деталей и механизм перемещения балки илн
пода находится вне печи. Рабочая температура печей
этого типа поэтому практически ограничивается предель-
ной температурой материала нагревателей.
Протяжные печи предназначаются для термической
обработки проволоки, ленты, тонкостенных труб из чер-
ных и цветных металлов. Перемещение изделий в печи
осуществляется протяжкой от специальных протяжных
или намоточных устройств, находящихся перед загрузоч-
ным и за разгрузочным проемами печи. Протяжные печи
выполняются вертикальными, горизонтальными и башен-
ными. Первая группа протяжных печей нашла широкое
применение в кабельной промышленности для отжига и
эмалирования медной и алюминиевой проволоки при ра-
бочей температуре до 650° С. Горизонтальные печи (рис.
2.9) применяются в металлургической промышленности.
Они выпускаются на рабочую температуру до 1150° С
(серийные и индивидуального назначения). Башенная
электропечь представляет собой вертикальную многопет-
левую протяжную печь. Башенные печи предназначаются
для высокопроизводительного отжига ленты. Производи-
тельность печей достигает 60 т/ч при скорости движения
ленты до 600 м/мин. Башенные печи имеют мощности в
сотни и тысячи киловатт.
Плавильные печи сопротивления применяют в основ-
ном для плавки алюминия, магния и их сплавов. Про-
мышленность выпускает тигельные и камерные печи.
Тигельные- печи выпускаются; емкостью от 0,16 до
0,6 т и применяются в литейном производстве как разда-
точные; некоторые печи оборудуются автоматическим
дозирующим устройством, обеспечивающим выдачу из
печи порций металла одинаковой массы.
На рис. 2.10 показана конструкция тигельной пла-
вильной печи. Литой тигель из жароупорного чугуна име-
ет наружный обогрев. Для слива металла печь имеет
механизм наклона с ручным приводом.
Камерные печи для плавки алюминия выпускаются
емкостью от 0,16 до 6,0 т и мощностью от 40 до 400 кВт.
Их рабочая температура 850°Q Нагреватели paqnono-
жены в своде в пазах футеровки и излучают теплоту не-
S3
s
14600
Рис. 2.9. Протяжная электропечь для закалки проволоки.
/ — обтирочное устройство; 2 —съемный свод; 3—муфель; 4 — на-
греватели; 5 — термопара; 6 — закалочная ванна.
Рис. 2.10. Тигельная плавильно-раздаточная электропечь.
/ — кожух; 2 —футеровка; 3 —механизм подъема крышки; 4 — нагреватели;
5 —тигель; 6 —механизм наклона печи; 7 — опорная подставка; в —крышка;
9 — сливной носок.
посредственно на расплавляемый алюминий, а так как
его коэффициент поглощения очень мал (0,3—0,4), то
температура нагревателей достигает 1000—1100° С. Это
обусловливает малый срок их службы.
Печи емкостью до 1,5 т используют преимущественно
для получения фасонного литья, в более крупных печах
ллавят металл на слиток. Так как производительность
этих печей низка, а тепловые потери велики, удельный
расход-электроэнергии в них достигает 600—700 кВт-ч
на тонну металла. Поэтому в последнее время эти печи
вытесняются индукционными печами, расход электро-
энергии в которых на 150—200 кВт-ч/т меньше.
Высокотемпературные электропечи. В последние де-
сятилетия в связи с развитием новых областей техники
и созданием для их нужд новых материалов с определен-
ными заданными свойствами резко возросло применение
высокотемпературных печей сопротивления — вакуумных
и с нейтральными (инертными) газовыми средами.
В высокотемпературных печах сопротивления, в основ-
ном применяются следующие технологические процессы:
1)	спекание изделий из тугоплавких-и химически ак-
тивных материалов.
2)	термическая обработка тугоплавких металлов и
сплавов;
бб
3)	получение йонокрйстйллов и их термическая обра-
ботка;
4)	плавка и рафинирование тугоплавких металлов и
сплавов.
Основные отличия конструкций высокотемпературных
печей от обычных следующие:
1.	Герметичное исполнение кожуха печи, рассчитан-
ного на атмосферное (для вакуумных печей) и часто —
на давление, значительно превышающее атмосферное
Рис. 2.11. Высокотемпературная электропечь с экранной теплоизоля-
цией.
/ — водоохлаждаемый кожух печи; 2—крышка; 3 — нагреватель; 4, 3, 6 —
экраны; 7, 3 — выводы нагревателя; 9 — патрубок откачки.
вб
Рис. 2.12. Вакуумная толкательная электропечь.
/ — нагревательная камера; 2 — камера загрузки; 3 — камера вы-
грузки; 4 —камера охлаждения; 5 —вакуумная система; 6 — мас-
лонапорная установка гидропривода; 7графитовые нагреватели»
8 — выводы нагревателей; 9 — футеровка.
(1—5 МПа), для печей вакуумно-компрессорных, рабо-
тающих с нейтральными газами.
2.	Конструкция нагревателей основывается на приме-
нении тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама,
тантала) и графита; питание нагревателей осуществля-
ется пониженным напряжением (из-за опасности пробоя)
от специальных понижающих трансформаторов с регу-
лированием вторичного напряжения.
3.	Кладка печи для облегчения откачки из нее газов
выполняется из легко дегазируемых материалов или же
роль тепловой изоляции выполняют системы металличес-
ких экранов.
4.	Наличие вместо обычных проемов и уплотнений
вакуумных затворов и вакуумных уплотнений.
5.	Наличие откачной системы, состоящей из вакуум-
ных насосов, трубопроводов, вентилей, затворов.
Вакуумные печи периодического действия изготовля-
ются серийно и индивидуально; по типу конструкций они
разделяются на камерные, шахтные, колпаковые и эле-
ваторные.
На рис. 2.11 изображена 'вакуумная шахтная печь
сопротивления на рабочую температуру до 1800° С с на-
гревателем из молибденового листа и экранной тепловой
изоляцией.
Вакуумные высокотемпературные печи непрерывного
действия выполняются таких конструктивных типов, ко-
торые позволяют осуществлять перемещение изделий ме-
ханизмами, расположенными вне рабочего пространства
печи.
В наибольшей степени подходят для работы в услови-
ях вакуума и высоких температур толкательные печи
(рис. 2.12) и печи с выдвижным подом. Применяются
также туннельные печи (с перемещающимися вдоль печ-
ной камеры футерованными тележками) и протяжные —
для термообработки проволоки и ленты, снабжейные ди-
намическими уплотнениям^.
2.3.	СХЕМА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА
ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Количество энергии, потребляемой из сети, и уста-
новленная мощность печи зависят прежде всего от тем-
пературного режима обработки, заданного технологичес-
ким процессом, т. е. цикла работы печи.
кя
Наиболее широко применяемые в практике циклы
термической обработки металлов и неметаллических ма-
териалов показаны на рис. 2.13. На рис. 2.13, а показан
простейший цикл, предусматривающий только достиже-
ние нагреваемым телом заданной конечной температуры
при стационарном режиме кладки печи (РПОт=const).
Такой режим характерен для нагрева без выдержки вре-
мени для выравнивания температуры тонкостенных из-
делий из черных металлов или материалов с высоким
коэффициентом теплопроводности (алюминия и его
сплавов, меди и сплавов на медной основе).
Наиболее часто этот цикл встречается в печах для
нагрева заготовок под горячую деформацию цветных ме-
таллов или для закалки тонкостенных изделий.
Рисунок 2.13,6 дает представление о наиболее рас-
пространенном цикле работы печи, включающем выдерж-
ку изделий при определенной температуре. Назначение
этой выдержки — выравнивание температуры по сечению
изделия и обеспечение необходимых превращений в его
материале. Этот цикл характерен для процессов закал-
ки, отпуска, нормализации и термохимической обработ-
ки металлов.
Третий вид цикла работы печи (рис. 2.13, в) имеет
-место в печах для отжига металлов, керамики, спекания
Рис. 2.13. Циклы работы печей.
а —нагрев без выдержки; б —нагрев с выдержкой; в — нагрев с выдержкой
и последующим охлаждением.
59
металлокерамических изделий, получения монокристал-
лов и в других случаях, когда по технологии процесса
требуются медленное охлаждение и выдача изделий из
печи после охлаждения при определенной температуре.
Печи периодического действия при таком цикле работы
имеют очень низкие экономические показатели. В каж-
дое цикле за период охлаждения печь теряет большое
количество теплоты, аккумулированной кладкой в перио-
ды нагрева и выдержки. Вследствие этого КПД печи ни-
зок, а удельный расход электроэнергии велик. Такой
цикл может быть оправдан только для термообработки
дорогих материалов, для которых стоимость расходуемой
электроэнергии несущественна (монокристаллов, ме-
таллокерамики, тугоплавких металлов и т. п.).
В печах непрерывного действия охлаждение изделий
осуществляется вне печи в специальной камере охлажде-
ния, при этом КПД печи и расход электроэнергии не за-
висят от времени охлаждения.
В общем случае для цикла работы садочной печи с
охлаждением (рис. 2.13, в) расход теплоты за цикл со-
ставит:
Сц = Qnon “Ь Qaen “Ь 2Qnoi>
где Опоя — количество теплоты, потребное для нагрева
загрузки до заданной конечной температуры; QBcn — ко-’
личество теплоты, потребное для нагрева вспомогатель-
ных жароупорных устройств, входящих вместе с загруз-
кой в печь (корзин, поддонов, муфелей, подвесок), и га-
за; 2QnoT — суммарные тепловые потери печи за цикл
(все величины — в Дж).
Полезная теплота <Эпол» Дж, на нагрев изделий опре-
деляется по формуле
^пол = СИЗД^ИЗД (^изд	^изд)’	Л)
где Сизд — средняя удельная - теплоемкость материала
загрузки, Дж/(кг-°C), (см. [1 и2]); Сиад—масса загруз-
ки, кг; f ’ и t' — конечная и начальная температуры
изделий, С.
Аналогично определяется количество теплоты Q>Cn,
Дж, потребное для нагрева вспомогательных загрузоч-
ных приспособлений и газа (защитного или специально-
го), подаваемого в печь от газогенераторных установок
или от газовой сети:
0»	(С- 'У +«А К- Г').
60
Здесь соответственно сж, с?—удельные теплоемкости
жароупорного материала и газа, Дж/(кг-°С); бж, Gr—
массы вспомогательных жароупорных устройств и газа,
расходуемого за цикл работы печи, кг; Гж, t’x, f’, t'p—
конечная и начальная температуры жароупорных изде-
лий и газа, °C.
Суммарные тепловые потери печи SQnor, Дж, приме-
нительно к циклу на рис. 2.13, в (с охлаждением загруз-
ки в печи) равны:
' ^QnOT = (фют.я Тв Ч” «/пОТ.ВЫД твыд 4“ «/пот, ОХ Л ТОХЛ 4“
4“ фют.з.в Тз,в)>	(2.2)
где fl'noi, в — мощность тепловых потерь через стенки пе-
чи в период нагрева, Вт; «/пот, выд—то же в период вы-
держки, Вт; (/вот, охл — то же в период охлаждения, Вт/
?пот, з, в — мощность тепловых потерь через загрузочные
проемы и щели при загрузке и выгрузке, Вт; fen=l,15-i-
1,3 — коэффициент неучтенных тепловых потерь, ко-
торый вводится для учета трудно определяемых тепло-
вых потерь (через неплотности и щели конвекцией, че-
рез выводы нагревателей, термопары и другие элемен-
ты конструкции печи, представляющие собей тепловые
короткие замыкания).
Количество теплоты, прошедшее через стенкй печи
ва период охлаждения, есть не что иное, как потери теп-
лоты, аккумулированной кладкой:
</пот,охл Тохл = Qaat ~ Окх>
где Q и ^акк — аккумулированная кладкой теплота,
соответствующая температурам изделия /'и (рис.
2.13, в).
Очевидно, что при работе печи по циклам на рис. 2.13,
а и б кладка теряет только небольшую часть аккумули-
рованной ею теплоты за период выгрузки и загрузки за
счет потерь теплопроводностью через стенки, излучением
и конвекцией через открытые проемы. Суммарные теп-
ловые потери печи SQnor, Дж, для этих циклов равны:
2Qn0T = ^п(«/пОТ Тц Ч* ^З.вТз.в).	(2.3)
Тепловые потери в периоды нагрева и выдержки мо-
гут быть приняты одинаковыми и определяются раз-
дельно для участков кладки, отличающихся по конструк-
ции и материалам, по формулам (1.10) — (1-12). Поте-
61
ри излучением Qm„, Дж, за время выгрузки и загрузки
через печные проемы равны:
Риал = <7и9л Тз,в = ^3 екл И"	( 700~ ) ] ^п₽ Ts,B" \
(2.4)
Здесь ф— коэффициент диафрагмирования (см. рис.
1.1).
Потребная мощность печи периодического действия
Рпотр, Вт, определяется по расходу теплоты в период
нагрева, так как именно в этот период требуется макси-
мальное количество энергии:
.	(2.5)
Тн
Для циклов на рис. 2.13, в
Сн ~ Qnoa 4" Свеп 4“ Яаот 4" (/пот.охг Л хл 4* Спел =
= Qu ~ фпот.выд ТВЫД.
Для циклов на рис. 2.13, а, б составляющая
<7пот,охлТохл=0.
Полученное значение потребной мощности следует
увеличить на 10—50%; установленная мощность печи Р,
Вт, равна:
Р = ^М'РпОТР = (1Л-'_1»5)РЦстр.	(2.6)
Коэффициент запаса мощности kM учитывает:
1)	возможность понижения напряжения сети против
номинального значения;
2)	увеличение сопротивления нагревательных эле-
ментов с течением времени («старение» материала на-
гревателей) ;
3)	форсирование режима разогрева печи с холодного
состояния.
Чем выше рабочая температура печи и чем массивнее
кладка, тем больше теплоты аккумулируется кладкой,
тем большим следует принимать коэффициент запаса
мощности для уменьшения «времени разогрева печи с хо-
лодного состояния.
Приближенно время разогрева печи (без загрузки)
Траз, с, может быть определено по формуле .
Трав
Сакк.п_____
Q -7р ^?пот
’	2
(2.7)
62
где Q акк,п — количество теплоты, аккумулируемое клад-
кой и жароупорными конструкциями печи при разогреве
ее с холодного состояния до стационарного режима при
рабочей температуре, Дж; St/noi — суммарные тепловые
потери через стенки печи при стационарном режиме, .Вт.
Тепловой КПД печи периодического действия равен
отношению полезной теплоты, расходуемой на нагрев
садки, ко всей теплоте, затрачиваемой за время цикла:
'	ПтМСпол/<2ц)-100%. -	(2.8)
Удельный расход электроэнергии а>, кВт-ч/кг, т. е.
расход ее на единицу массы материала, обрабатываемого
в печи, равен:
® = Сц^ИЗД»	(2«9)
где	— масса загрузки, обрабатываемой в печи, кг.
Если печь велика по габаритам рабочего простран-
ства, то она делится на участки — тепловые зоны. Каж-
дая тепловая зона имеет самостоятельное регулирование,
температуры посредством изменения мощности соответ-
ствующих нагревателей.
Принцип разбивки рабочего пространства печи и ее
мощности на тепловые зоны основывается на требова-
нии равномерного распределения температуры внутри
печи. По высоте рабочего пространства зона должна
занимать 1,5—2 м, по длине печи — не более 2—2,5 м.
Чем выше требования технологического режима к рав-
номерности распределения температуры, тем меньше
размеры зоны по высоте и длине (для печей без при-
нудительной циркуляции атмосферы).
В печах с принудительной циркуляцией равномер-
ность нагрева изделий достигается организацией на-
правления движения газовой среды и большими значе-
ниями скорости газа. Мощность зоны, как правило, здесь
ограничивается номинальным током контактора IV ве-
личины, т. е. током 300 А, и предельные значения мощ-
ности трехфазной зоны составляют: 180—190 кВт при
напряжении сети 380 В и 100—ПО кВт при напряжении
220 В.
2.4.	ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ПЕЧЕЙ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Тепловой расчет печи непрерывного действия осно-
вывается на условиях транспортировки загрузки и на
температурной кривой, заданной технологическим про-
63
цессом или рассчитанной в соответствии с техническим
заданием на проектирование печи.
Полная внутренняя длина печи определяется по за-
данной производительности g, кг/ч, суммарному време-
ни пребывания изделий в печи т, ч, и удельной нагрузке
изделий на 1 м длины рабочего пространства В, кг/й7
Последняя обусловлена шириной А, м, и высотой h, м,
загрузки и ее объемной массой у, кг/м3:
B = yAhA. '	(2.10)
Длина камеры нагрева, м,
L^gxJB,	(2.11)
и длина камеры выдержки, м
^ВЫД = в’Ч’ВЫД^-!	(2«12)
Суммарная длина камер печи Ьпечи=Ьв+^выд-
При большой длине камер нагрева и выдержки они
разбиваются на самостоятельные теплдвые зоны через
каждые 2—3-м длины.
- Потребная мощность, Вт, печи непрерывного дейст-
вия
Рпотр = Рпол ”Ь ?вси Ч-М^пот.ст + Ризл), (2.13)
где 2Рпот,ст — суммарная мощность тепловых потерь
через стенки печи, Вт; Риал — мощность потерь на излу-
чение через проемы печи, Вт; ka — коэффициент неучтен-
ных потерь.
Мощность, расходуемая на нагрев изделий, Вт,
^пол = Сизд£изд (^изд ^изд) 36оо •
Мощность, затрачиваемая на нагрев жароупорных
конструкций и газа, подаваемого, в печь, Вт,
?кп “ сж#ж (*ж“ *ж) 13500 + Сг8т ( ~~ М 36Оо '
В последних выражениях — масса жароупорных
конструкций (поддонов, конвейерных лент и т.п.); про-
ходящих вместе с загрузкой через печь за 1 ч, кг/ч; gT—
часовой расход газа, кг/ч.
Для каждой тепловой зоны потребная мощность оп-
ределяется по формуле (2.13) в соответствии с кривыми
нагрева и мощности тепловых потерь, относящимися к
данной зоне.
64
Для каждой зоны вводится свой коэффициент запа-
са мощности. Полученное значение установленной мощ-
ности зоны Р=ЛмРпотр является исходным параметром
для расчета нагревательных элементов зоны. Мощность
печи представляет собой сумму установленных мощно-
стей зон.
Тепловой	КПД печи непрерывного	действия	равен:
Пт = (^пол//Эпотр)-ЮО%,	(2.14)
а удельный	расход электроэнергии	w,	кВт-ч/кг, при
производительности g, кг/ч, равен:
W = PnoTplg-	(2-15)
2.5.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Исходными данными для электрического расчета
являются:
1)	мощность печи (или зоны для многозонных пе-
чей), полученная в результате теплового расчета;
2)	мощность тепловых потерь через кладку печи
или зоны;
3)	конечная температура нагрева изделий;
4)	характеристика нагреваемых изделий: габарит-
ные размеры, материал;
5)	напряжение питающей сети;
6)	особые условия нагрева: наличие защитной ат-
мосферы, вакуума, требования к материалу нагревате-
лей и т. п.
Для многозонной печи, если мощности зон различ-
ны, электрический расчет проводится отдельно для каж-
дой зоны. Нагревательные элементы могут получать пи-
тание непосредственно от цеховой сети напряжением
220, 380 или 660 В или от понижающих электропечных
трансформаторов, специально разработанных для элек-
трическихпечей сопротивления.
Цель электрического расчета заключается в опреде-
лении размеров (сечения и длины) нагревателей (по
фазам) в соответствии с требуемым для выделения не-
обходимой мощности сопротивлением, а также в зави-
симости от условий теплообмена между нагревателями
и нагреваемыми изделиями. Кроме того, рассчитанные
нагреватели определенной конструктивной формы надо
разместить на стенках печи. В печах сопротивления с
5—859 -	65
рабочей температурой выше 700° С передача теплоты
от нагревателей к изделиям осуществляется преимуще-
ственно излучением. Доля конвективного теплообмена
у них незначительна и уменьшается с повышением тем-
пературы рабочего пространства печи, поэтому можно
без большой погрешности считать, что для среднетемпе-
ратурных (с рабочей температурой 700—1250° С) и вы-
сокотемпературных печей (/раб^1250°С) количествен-
ные соотношения теплообмена в рабочей камере подчи-
няются законам теплового излучения.
Если представить себе электрическую печь, в которой
тепловые потери через кладку равны нулю (РПот=0), а
нагреватель выполнен в виде тонкого сплошного листа,
охватывающего загрузку (рис. 2.14), то, принимая рав-
ными поверхности изделия и нагревателя, можно запи-
сать уравнение лучистого теплообмена между таким
идеальным нагревателем и поверхностью нагреваемого
изделия в виде
откуда температура нагревателя Ти=/В+273, К, равна:
Тн = 1001/ -£s- + f,	(2.16)
н V cltFB 1 ЮО J
а удельная поверхностная мощность идеального нагре-
вателя
(2.17)
В этих уравнениях: Рц — мощность печи, Вт; Ев —
площадь поверхности нагревателя, м2; Тя и Лид — тем-

*
Рис. 2.14. Идеальный нагреватель.
/ — нагреватель;	2 — изделие; 3 — футе-
ровка.
66
пературы нагревателя и изделия, К;си= —:---:-----—
приведенная излучательная способность; cs—5,7 Вт/ (м2Х
ХК4) — излучательная способность абсолютно черного
тела; ев, еИзд—коэффициенты теплового излучения на-
гревателя и изделия (см. табл. 1.2).
Из уравнения (2.17) видно, что удельная поверхно-
стная мощность идеального нагревателя зависит от тем-
ператур нагревателя и нагреваемого изделия, а также
от коэффициентов теплового излучения материалов на-
гревателя и изделия гя=Сц1сз, 8ивд=сиад/сд. Идеальный
абсолютно черный нагреватель (ен=1), излучающий
на абсолютно черное изделие (виад=1), имеет удельную
поверхностную мощность, Вт/м2,
waKS = 5,7'	(2.18)
[\ юо)	\ юо ; J '	'
На рис. 2.15 представлено семейство кривых удель-
ной поверхностной мощности абсолютно черного иде-
ального нагревателя в функции температуры изделия
и температуры нагревателя.
В рабочей камере печи размещаются реальные на-
греватели, имеющие определенную конструктивную фор-
му, отличную от сплошного листа, и площадь поверхно-
Ж ЮО 300	1100	1300-кизЭ?С
Рис. 2.15. Кривые удельной поверхностной мощности идеального аб-
солютно черного нагревателя.
5*	67

Рис. 2.16. Примеры крепления нагревателей.
а —крепление спирального проволочного нагревателя на фасонных керамических полочках боковых стен печи; б — крепление тех
же нагревателей на трубках и керамических консолях боковых стен; в — крепление тех же нагревателей на поде на трубках;
г,— крепление тех же нагревателей на своде на трубках и керамических фасонных элементах; д — крепление проволочных зигзаго-
образных нагревателей на боковой стенке, своде и поде печи; е — крепление ленточного зигзагообразного нагревателя на боковой
стенке печи; ж — крепление того же нагревателя на поду печи на фасонной керамике.
8
сти, отличающуюся от площади поверхности изделий,
т.е. Гн^^изд (рис. 2.16). Кроме того, в реальной печи
всегда имеют место тепловые потери через кладку
(Рпот>0). Поэтому лучистый теплообмен в камере пе-
чи с реальными нагревателями представляет собой зна-
чительно более сложную картину (рис. 2.17). Количест-
веннолучистый теплообмен описывается тремя приведен-
ными ниже уравнениями, выражающими баланс энергии
при стационарном тепловом режиме кладки печи, т.е.
При Расп—const.
Полная мощность, выделяемая нагревательными
элементами в процессе лучистого теплообмена, переда-
ется на поверхность нагреваемого изделия и на внут-
реннюю поверхность кладки печи:
<2J9>
Мощность, воспринимаемая поверхностью изделий,
равна сумме теплового потока, непосредственно пере-
даваемого изделию от нагревателя, и теплового потока
лучистого теплообмена между поверхностью стенки пе-
чи и изделием:
]F” +
<2-20)
Рис. 2.17. Теплообмен в камере электропечи.
1 — нагреватель; 2 — изделие; 3 — футеровка.
70
Мощность, расходуемая на покрытие тепловых по-
терь через стенки печи, представляет собой разность лу-
чистых потоков Pis и Рз«:
(2.21)
В последних трех уравнениях индекс 1 относится к
нагревателю, 2 — к нагреваемому изделию, 3 — к стенке
печи; С12,С1з,Сз2 — приведенные излучательные способ-
ности, Вт/(м2-К4); F12, Р1з, Рзз — взаимные поверх-
ности облучения, м2, — чисто геометрические парамет-
ры, определяемые в зависимости от размеров и фор-
мы тел, участвующих в теплообмене, и их взаимным
расположением в пространстве. Они могут быть выра-
жены через угловые коэффициенты излучения: Fi2=
=Ф12Л; Г1з=<Р1зЛ; Рз2=фз2Рз, где фп.Фи и фз2 — усред-
ненные угловые коэффициенты излучения, численно по-
казывающие, какая доля из полного излучения одного
тела попадает на другое.
В случае идеального или аналогичного ему сплошно-
го нагревателя Fi2=Pi и ф12=1.
Для нагревателей из проволоки или ленты определе-
ние коэффициентов облученности или взаимных поверх-
ностей облучения представляет большую сложность.
Решая совместно любые два из приведенных выше
уравнений относительно неизвестного значения ТьК, по-
лучаем:
Ti= 100 X
х
____________Fh 1(1 — ?) сы Рц ~Ь с» Fw]__________________
Сц Fu си Fu 4- с12 Fu сп Fat + см FM cS2 Fm
(2.22)
где у=Рпо*/Рн — относительная мощность тепловых по-
терь.
Формула (2.22) дает возможность определять тем-
пературу нагревателя в работе. Преобразуем эту фор-
мулу, умножив и разделив первый член подкоренного
71
выражения на Ci2,
7\= 100х
X 1/ __________?Н К1 у) g12 ^12 + Й2 за] g12_______________| / ^2
V (g12 ^12 g13^13 + g12 ^12 g32 ^82 + g13 ^13 g82 ^зг) g12	\ 100 /
(2.23)
Рн
С12 Л)ф
Здесь
g12 & 12 g18 ^13 + g12 Л12 g32 ^32 + g18 ^13 g82 ^32 _ p
1(1-Т)смР18+сз»^аК1»	’*
представляет собой эффективную (активную) площадь
поверхности нагревателя, численно равную площади
поверхности идеального нагревателя, работающего при
тех же температурных условиях и при одинаковых зна-
чениях коэффициентов теплового излучения материала
нагревателя и материала нагреваемого изделия.
Эффективная поверхность нагревателя может быть
представлена как
^%ф	®9ф ^1»
где Оэф — коэффициент эффективности излучения нагре-
вателя, зависящий от взаимных поверхностей облучения
F12, F13, F32, то приведенных коэффициентов теплового
излучения си, С13, С32 и от относительных тепловых по-
терь через кладку у=Рпот/Рн.
®эф = f (^18» F13, /"ад, Cig, Cjg, Cgg, у).
Удельная поверхностная мощность реального нагре-
вателя может быть получена по аналогии с идеальным
нагревателем: w=PjJFi, ’но Г1=Г9ф/аЭф, поэтому а?=
=Рн<Хэф//7эф, или
® = а»идавф,	(2,24)
так как Гэф численно равна Гид при тех же условиях
работы.
Следовательно,
г/ т< \« ( т. \*1
“' = “*‘’“11-^-) -(Тм)]’
Идеальный абсолютно черный нагреватель, излучаю-
щий на абсолютно черное тело (81=82=1), как уже бы-
72
ло сказано; имеет удельную поверхностную мощность
®0идз» Вт/м2, зависящую только от температур Т\ и Г2:
На рис. 2.15 представлено семейство кривых wm8s=
tz) удельной поверхностной мощности для иде-
ального абсолютно черного нагревателя. Пользуясь
этими кривыми, можно определить значение идеальной
удельной поверхностной мощности при любых значени-
ях si и Е2 (см. табл. 1.2):
w]m = &iawBKs,
ГДе 812 = 1/81+1/в2-1 *
Удельная поверхностная мощность реального нагре-
вателя или значение аеф, как указывалось выше, зави-
сят от конструкции нагревателя, условий его размеще-
ния на стенках печи, от материала нагреваемого изде-
лия, а также от относительных тепловых потерь.
Рекомендуемые значения Оэф для различных условий
работы нагревателя приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Рекомендуемые значения аЭф при нагреве
различных материалов (Рпот/Рв—0,25)
	Материал нагреваемых изделий		
Конструкция нагревателя	Сталь,	Сталь в за-	Алюминий,
	8=0,8	щитной атмо- сфере, е=0,45	8=0,3
Ленточный зигзагообразный свободно подвешенный	0,46	0,51	0,54 0,50
Ленточный зигзагообразный в пазу	0,44 0,62	0,48	
			0,68
Проволочный зигзагообраз- ный или стержневой свободно подвешенный		0,65	
			
Проволочный зигзагообраз- ный в пазу	0,56	0,6	0,63
Проволочный спиральный на	0,46	0,49	0,50
трубке Проволочный спиральный на	0,39	0,44	0,47
полочке			
Проволочный спиральный в	0,31	0,34	0,35
пазу Литой свободно подвешен-	0,60	0,63	0,65
ный			
73
Определение размеров сечения и длины нагревателя
основывается на двух уравнениях, одно из которых от-
ражает условия теплообмена:
Рн = ®’доп^7н»	(2.26)
а второе — электрическую связь параметров нагрева-
теля:
1/1
(2-26)
Рг ЬН//
В этих уравнениях: Рн — мощность нагревателя на
каждую ветвь одной фазы, Вт; арДОп — допустимая удель-
ная поверхностная мощность нагревателя выбранной
конструкции (по рис. 2.15 и табл. 2.1), Вт/м2; адДОп=
=адидаэф; Уф— напряжение на ветви фазы нагре-
вателя (согласно выбранной схеме соединений), В;
FB — площадь поверхности нагревателя, м2; /?н — сопро-
тивление одной ветви фазы нагревателя, Ом; £н — дли-
на нагревателя (проволоки или ленты) на одну ветвь
фазы, м; f — сечение нагревателя, м2; рг — удельное
электрическое сопротивление материала нагревателя
при рабочей температуре, Ом-м.
В первом уравнении, заменив площадь поверхности
нагревателя через произведение его периметра и длины:
FH=IILH, получим выражение для длины нагревателя:
•^н = ^Н^(ПЮдоп).
Из второго уравнения имеем:
Приравнивая эти два^ выражения и группируя в ле-
вой части полученного уравнения члены, содержащие
размеры сечения, получаем:
р2 р
^ = тг^-
^ф®дав
Для нагревателей круглого сечения (проволочных и
стержневых) имеем:
4	(А. СУ-
Ф ^доп
74
откуда расчетный диаметр нагревателя, м,
d =
*РнРг
(2.27)
Рассмотрим случай, когда нагреватели выполнены из
ленты или стержней прямоугольного сечения. Обозначив
отношение сторон прямоугольника т=Ь!а (рис. 2.18,в),
получим толщину ленты, м:
з/ ^7
а = 1 / нРг__________,	(2.28)
г 2т (т+ 1)УфЮД0П
так как/=аЬ=та2 и П=2(а-|-6)=2(т4-1)а.
Обычно принимают m=5-j-15.
Полученные расчетные значения диаметра или раз-
меров сечения ленты округляют до ближайших больших
из имеющихся по сортаменту размеров [1, 2].
Для обеспечения надежной работы печей с темпера-
турой больше 700 °C не рекомендуется применение для
нагревателей проволоки диаметром меньше 5 мм и лен-
ты толщиной менее 1,5 мм, так как при малых размерах
сечения окисление материала приводит к значительному
сокращению срока службы нагревателей.
Из формул (2.27) и (2.28) видно, что с понижением
напряжения на ветви одной фазы увеличиваются рас-
четные размеры сечения (поэтому для увеличения срока
службы нагревателей целесообразно выбирать понижен-
ное напряжение), при этом одновременно уменьшается
расчетная длина, что облегчает размещение нагревате-
75
С учетом корректировки размеров сечения определя-
ем длину L$, м, и массу G$, кг, нагревателя (проволоки,
ленты или стержней) на фазоветвь:
Ulf
(2.29)
гнРг
<Зф = Т/Ц,	(2.30)
где у — плотность материала нагревателя, кг/м3.
После определения основных расчетных размеров
нагревателя переходят к его конструированию и разме-
щению в рабочем пространстве зоны (печи).
Для проволочных спиральных нагревателей (рис.
2.18, а) с диаметром проволоки 5—9 мм рекомендуется
шаг спиралей s^2d, с тем чтобы не уменьшать значения
коэффициента эффективности против рекомендуемых в
табл. 2.1.
Диаметр спирали выбирают по условиям механиче-
ской прочности спирали, т. е. обеспечения сохранения ее
формы в процессе работы; для никельсодержащих (ме-
ханически прочных) сплавов сопротивления £>=(7-т-
10) d, для хромоалюминиевых сплавов D=(5-e-7)d.
Длина спирали на фазу, м
1СП =/is = (Ьф/лП)з,
где и — число витков спирали на фазу.
Для проволочных зигзагообразных нагревателей из
проволоки диаметром d=6-i-15 мм (рис. 2.18,6) высоту
зигзага выбирают в пределах 200—400 мм по условиям
механической прочности. Шаг волны s^5d определяет-
ся технологическими возможностями изготовления без-
дефектного нагревателя ,из толстой проволоки.
У ленточных зигзагообразных нагревателей (рис.
2.18, в) высота зигзага рекомендуется А 100а, а шаг
волны s^26. Длина «гармошки» зигзагообразного лен-
точного и проволочного нагревателей lr—nsfstLHs/2A,
где п — число волн в «гармошке».
Рассмотренный расчет нагревателей средне- и высо-
котемпературных печей можно распространить и на низ-
котемпературные печи. Разница заключается в опреде-
лении допустимой удельной поверхностной мощности
нагревателя, так как в низкотемпературных печах су-
щественную роль играет конвекция [1, 8].
76
2.6.	ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Печи сопротивления косвенного действия могут по-
лучать питание непосредственно от цеховой сети с на-
пряжением 220, 380 и 660 В или от понижающих элект-
ропечных трансформаторов однофазного и трехфазного
исполнений (серий ТПО и ТПТ) с широким диапазоном
регулирования вторичного напряжения и от автотранс-
форматоров (серии АПТ). Эти серии разработаны с уче-
том требований (по значениям вторичного напряжения
и диапазону регулирования) питания печей с нагрева-
телями: из сплавов сопротивления, из чистых тугоплав-
ких металлов и из неметаллических материалов [5, 28].
Электропёчные трансформаторы для уменьшения по-
терь в токоподводах устанавливаются в непосредствен-
ной близости к печи. Подвод питания от трансформато-
ра к нагревателям может быть осуществлен кабелем или
шинами — в зависимости от конкретной компоновки.
Коммутационная аппаратура, аппаратура управления и
автоматического регулирования температуры монтирует-
ся в щитах управления.
Для управления электрическими печами выпускается
серия однозонных щитов управления [5, 28]. Каждый
щит предназначается для дистанционного управления
включением и выключением нагревателей, контроля и
регулирования температуры одной тепловой зоны печи.
Щиты различаются по току в силовой цепи (по ком-
мутационной аппаратуре), типу прибора теплового конт-
роля и наличию дополнительной аппаратуры для вклю-
чения электродвигателей механизмов печи и для работы
печи с контролируемыми атмосферами. Габаритные раз-
меры серийного щита в плане 700X574 мм, высота
1900 мм. Щиты устанавливаются непосредственно
у печей.
Для многозонных печей часто применяют вместо ти-
повых щитов щиты индивидуального исполнения, рас-
пределяя коммутационную аппаратуру, аппаратуру при-
боров теплового контроля и автоматики по разным щи-
там, при этом экономится площадь цеха, облегчается
обслуживание оборудования и увеличивается надеж-
ность работы приборов теплового контроля.
При большом количестве печей в цехе устраивают
централизованное управление в контрольно-распредели-
тельном пункте (КРП), в котором сосредоточивают всю
77
аппаратуру управления и теплового контроля. КРП об-
служивается специальным персоналом, обеспечивающим
требуемые температурные режимы на всех печах соглас-
но технологическим картам.
Для прецизионных печей сопротивления, работающих
с высокой точностью поддержания температурного ре-
жима (точность до ±0,5°C), применяют специальные
источники питания, позволяющие осуществлять плавное
изменение мощности. К таким источникам питания отно-
сятся источники на магнитных усилителях: однофазные
(РУО) — на мощности от 3,5 до 105 кВт и трехфазные
(РУТ) — на мощности от 11,5 до 182 кВт, а также тири-
сторные источники питания однофазные (РНТО) — до
198 кВт и трехфазные (РНТТ) —до 590 кВт [5, 28].
2.7.	АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
В печах сопротивления в подавляющем большинстве
случаев применяется простейший вид регулирования
температуры — двухпозиционное регулирование, при ко-
тором исполнительный элемент системы регулирова-
ния — контактор имеет лишь два крайних положения:
«включено» и «выключено». Во включенном состоянии
температура печи растет, так как ее мощность всегда
выбирается с запасом, и соответствующая ей установив-
шаяся температура значительно превосходит ее рабочую
температуру. В выключенном состоянии температура пе-
чи снижается по экспоненциальной кривой. Для идеали-
зированного случая, когда в системе регулятор — печь
отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпо-
зиционного регулятора показана на рис. 2.19, на кото-
ром в верхней части дана зависимость температуры пе-
чи от времени, а в нижней — соответствующее изменение
ее мощности. При разогреве печи вначале ее мощность
будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее
температура будет расти до точки /, когда она достиг-
нет значения /задЧ-А6, где |4-Af| + |—Д/2|—зона не-
чувствительности регулятора. В этот момент регулятор
сработает, контактор отключит печь и ее мощность упа-
дет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет
уменьшаться по кривой 1—2 до тех пор, пока не будет
достигнута нижняя граница зоны нечувствительности
^зад—Д^2. В этот момент произойдет новое включение
печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.
78
Рис. 2.19. Идеализированная схема работы двухпозиционного регу-
лятора температуры.
Таким образом, процесс регулирования температуры
печи по двухпозиционному принципу заключается в ее
изменении по пилообразной кривой около заданного
значения в пределах интервалов +ДЛ, —Д/2, определяе-
мых зоной нечувствительности регулятора. Средняя
мощность печи зависит от соотношения интервалов вре-
мени ее включенного состояния Д-и и выключенного со-
стояния Дтг. По мере прогрева печи и загрузки кривая
нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания пе-
чи — положе, поэтому отношение периодов цикла Дт1
и Дт2 будет уменьшаться, а следовательно, будет падать
и средняя мощность РСр. При двухпозиционном регули-
ровании средняя мощность печи все время приводится
в соответствие с мощностью, необходимой для поддер-
жания постоянной температуры.
Зона нечувствительности современных терморегуля-
торов может быть сделана весьма малой и доведена до
0,1—0,2 °C. Однако действительные колебания темпера-
туры печи могут быть во много раз большими из-за ди-
намического запаздывания в системе регулятор — печь.
Основным источником этого запаздывания является инер-
ция датчика — термопары, особенно если она снабжена
двумя защитными чехлами; керамическим и металличе-
ским. Чем больше это запаздывание, тем больше коле-
бания температуры нагревателя превышают зону нечув-
ствительности регулятора. Кроме того, амплитуды этих
колебаний очень сильно зависят от избытка мощности
7»
печи. Чем больше мощность включения печи превышает
среднюю мощность, тем больше эти колебания.
Колебания температуры нагревателей при двухпози-
ционном регулировании велики, так как масса и тепло-
вая инерция нагревателей сравнительно малы. В других
расположенных в камере печи элементах колебания
температуры меньше, особенно у теплотехнически мас-
сивных тел, у которых падающий на поверхность тепло-
рой поток, излучаемый нагревателями, интенсивно по-
глощается телом, что ограничивает повышение темпера-
туры поверхности. Вследствие этого теплотехнически
массивная загрузка печи не испытывает значительных
колебаний температуры. Однако колебания температуры
загрузки значительны и вредны, если эта загрузка —
теплотехнически тонкая, например тонкая лента или
проволока. Так, в протяжных печах для нагрева ленты
или проволоки при двухпозиционном регулировании бу-
дет наблюдаться неравномерный (полосатый) нагрев.
При больших скоростях одни участки ленты пройдут че-
рез печь в период, когда ее нагреватели будут включе-
ны, другие — во время их отключения; ясно, что первые
участки в результате будут нагреты больше, чем вторые.
Для того чтобы свести до минимума такие колебания
температуры загрузки, необходимо повысить чувстви-
тельность регулирующего прибора, уменьшить инерцию
(постоянную времени) датчика и запас мощности. Как
уже говорилось, чувствительность современных автома-
тических потенциометров очень высока и может удовлет-
ворить любые требования. Инерция датчика, наоборот,
велика; так, стандартная термопара в фарфоровом на-
конечнике с защитным чехлом имеет запаздывание око-
ло 20—60 с. Поэтому в тех случаях, когда колебания
температуры недопустимы, в качестве датчиков приме-
няют незащищенные термоэлементы с открытым концом.
Это, однако, не всегда возможно ввиду возможных ме-
ханических повреждений датчика, а также попадания
в приборы через термоэлемент токов утечки, вызываю-
щих неправильную их работу. Можно достичь уменьше-
ния запаса мощности, если печь не включать и выклю-
чать, а переключать с одной ступени мощности на дру-
гую, причем высшая ступень должна быть лишь нена-
много больше потребляемой печью мощности, а низ-
шая — ненамного меньше. В этом случае кривые нагре-
ва печи и ее остывания будут очень пологими и темпе-
80
ратура почти не будет выходить за пределы зоны нечув-
ствительности прибора.
Для того чтобы осуществить такое переключение с
одной ступени мощности на другую, необходимо иметь
возможность плавно или ступенями регулировать мощ-
ность печи. Такое регулирование может быть осущест-
влено следующими способами:
1)	переключение нагревателей печи, например; с
«треугольника» на «звезду». Такое весьма грубое регу-
лирование связано с нарушением равномерности темпе-
ратуры и применяется лишь в бытовых электронагрева-
тельных приборах;
2)	включение последовательно с печью регулируемо-
го активного или реактивного сопротивления. Этот спо-
соб связан с очень большими потерями энергии или сни-
жением коэффициента мощности установки;
3)	питание печи через регулировочный трансформа-
тор или автотрансформатор с переключением печи на
разные ступени напряжения. Здесь регулирование также
ступенчатое и сравнительно грубое, так как регулирует-
ся питающее напряжение, а мощность печи пропорцио-
нальна квадрату этого напряжения. Кроме того, имеют
место дополнительные потери (в трансформаторе) и сни-
жение коэффициента мощности;
4)	фазовое регулирование с помощью полупроводни-
ковых приборов. В этом случае питание печи осущест-
вляется через тиристоры, угол включения которых изме-
няется системой управления. Таким путем можно полу-
чить плавное регулирование мощности печи в широких
пределах почти без дополнительных потерь, используя
непрерывные методы регулирования — пропорциональ-
ный, интегральный, пропорционально-интегральный.
В соответствии с этими методами для каждого момента
времени должно выполняться соответствие поглощаемой
печью мощности и мощности, выделяемой в печи.
Приборное оформление, настройка и эксплуатация
систем непрерывного автоматического регулирования
температурного режима намного сложнее, чем при по-
зиционном методе. Кроме того, всякие изменения этой
мощности (открытие дверцы, повышенные потери, изме-
нение параметров нагреваемых деталей в печах непре-
рывного действия) вызывают колебательные переходные
режимы, в течение которых меняется и регулируемая
температура.
6—859
81
2.8.	УСТАНОВКИ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА
Особой группой низкотемпературных электропечей являются пе-
чи с инфракрасными излучателями. В них вместо обычных нагрева-
тельных элементов из проволоки или ленты, передающих тепловую
энергию нагреваемым изделиям в основном за счет конвекции, источ-
никами выделения теплоты служат инфракрасные излучатели и на-
грев идет преимущественно за счет поглощения энергии излучения.
Различают светлые излучатели, спектр излучения которых содер-
жит видимые (световые) лучи, и темные, излучение которых соот-
ветствует инфракрасной области спектра.
Светлый излучатель в виде лампы накаливания с вольфрамовой
нитью и с внутренним зеркалом-отражателем (покрытие из алюминия
на внутренней стороне стеклянной колбы) имеет температуру нити
накала (около 2200°С). Максимум излучения соответствует длине
волны %тах=1,3 мкм. Основная часть энергии излучается волнами
с Х=0,84-3,5 мкм. Отечественная промышленность выпускает лампы
инфракрасного излучения типов ЗС-1 127 В, 500 Вт; ЗС-2 220 В,
250 Вт; ЗС-З 220 В, 500 Вт.
Светлые кварцевые излучатели — трубки из кварцевого стекла
с нитью накала из вольфрама или хромоалюминиевого сплава.
В СССР выпускаются кварцевые излучатели в виде трубок различ-
ной длины диаметром 10 мм. Внутри трубки, заполненной парами
йода, размещена вольфрамовая нить с температурой около 2100° С.
По сравнению с ламповыми излучатели трубчатые имеют больший
срок службы и меньшие габариты при той же мощности, что позво-
ляет реализовать большую плотность лучистого потока (до
60 кВт/м2).
Темные излучатели — трубчатые, характеризуются сравнительно
низкой температурой (800—400° С) и спектром излучения, соответ-
ствующим инфракрасной области, с 1=24-5 мкм.
Исполнение темных излучателей с оболочкой' из металлической
трубы может быть различным; наибольшее распространение для ин-
фракрасного нагрева получили излучатели типа ИР. Рефлекторный
излучатель ИР представляет собой трубчатый нагреватель — ТЭН
серийного изготовления с рефлекторным отражателем. Мощность ти-
повых излучателей 400, 600 и 700 Вт’, питающее напряжение 70, 127
и 220 В, длина 435 и 950 мм, ширина 100 мм, высота 45 мм.
К категории инфракрасных излучателей относятся и неметалли-
ческие нагреватели из карбида кремния (сплита) и дисилицида мо-
либдена.	,
Для получения концентрированного и равномерного лучистого
потока неметаллические нагреватели монтируются на рефлекторах.
Монтаж инфракрасных излучателей в печах и нагревательных
установках осуществляется на съемных металлических панелях или
металлических каркасах с обшивкой из листов алюминия. Форма и
размеры панелей подбираются таким образом, чтобы нагреваемое
тело получало поток излучения одинаковой плотности по всей по-
верхности. В больших по протяженности и мощности печах делают
несколько тепловых зон с раздельным питанием и регулированием
температурного режима.
Эффективность инфракрасного нагрева основывается на спект-
ральных свойствах тел, т. е. на различной способности тел пропус-
кать, поглощать и отражать поток излучения определенных длин
82
ноли. Например, для непрозрачных лаков в наибольшей степени
свойственно поглощение излучения в инфракрасной области спект-
ра с А=2,5н-4 мкм [4].
Путем подбора излучателей можно получить качественные ла-
кокрасочные покрытия, время сушки которых в несколько раз меньше
чем при низкотемпературном конвективном нагреве. Пленка покры-
тия получается плотной и прочно соединяется с металлом.
В СССР установки инфракрасного нагрева применяют для суш-
ки лакокрасочных и эмалевых покрытий деталей велосипедов, кузо-
вов автомобилей, электрических машин и т. п. Для сушки покрытий
крупногабаритных изделий (корпусов судов, автобусов и т. п.) при-
меняется бескамерная сушка установкой, выполненной из передвиж-
ных панелей с инфракрасными излучателями.
Кроме сушки лакокрасочных и эмалевых покрытий инфракрас-
ный нагрев применяют для сушки бумаги, кож, мехов, текстиля, ке-
рамических изделий, зерна и других сыпучих продуктов сельского
хозяйства.
Широко применяют инфракрасный нагрев в строительстве для
сушки стен внутри помещений и при производстве бетонных и желе-
зобетонных изделий.
Используют этот вид нагрева и при изготовлении пищевых про-
дуктов, в кондитерском и хлебопекарном производстве, для терми-
ческой обработки рыбы и т. д.
В последнее время инфракрасные излучатели используют для
местного обогрева в помещениях животноводческих и птицеводчес-
ких ферм, а также в растениеводстве.
Целесообразность применения инфракрасного нагрева, его эко-
номическую и технологическую эффективность определяют свойства
материалов. Если поглощенная доля лучистой энергии инфракрасной
области спектра невелика, то эффект нагрева незначителен. Кроме
того, на эффективность этого вида нагрева отрицательно влияют ма-
лая теплопроводность нагреваемого материала и сложная форма
изделия.
2.9.	УСТАНОВКИ И ПЕЧИ ПРЯМОГО НАГРЕВА
В отличие от печей сопротивления косвенного дейст-
вия в установках и печах прямого нагрева преобразование
электрической энергии в тепловую происходит непосред-
ственно в нагреваемом теле, включенном в цепь тока.
Количество теплоты Q, Дж, выделяемой в теле при
прохождении тока, по закону Джоуля — Ленца равно:
Q = I*Rx.	(2.31)
Здесь I — ток, A; R— активное сопротивление провод-
ника, Ом; т — время прохождения тока, с.
Установки или аппараты прямого нагрева предназна-
чаются для нагрева заготовок и изделий из черных и
цветных металлов для целей горячей обработки давлени-
ем (ковки, штамповки, гибки и т.п.) и термической обра-
ботки (закалки, отпуска, отжига). Эти установки широко
6*	83
Рис. 2.20. Схема установки
прямого нагрева мерных за-
готовок.
используются на заводах авто-
мобильной промышленности и
сельскохозяйственного машино-
строения для нагрева под об-
работку давлением. Прямой
нагрев изделий можно осуще-
ствить за очень короткое вре-
мя (секунды, десятки секунд),
что обеспечивает высокую про-
изводительность при малых га-
баритах установки. Потери металла на окалину прак-
тически отсутствуют. Кроме экономии металла получа-
ется существенное увеличение срока службы оборудова-
ния для обработки металлов давлением, на износ кото-
рого значительно влияет наличие окалины.
Применение прямого нагрева позволяет сократить
площади, занимаемые нагревательными устройствами,
и улучшить условия труда.
Схема установки прямого нагрева цилиндрических
мерных заготовок приведена на рис. 2.20. Заготовка за-
жимается в контактах специальным устройством — зажи-
мом. К контактам от понижающего трансформатора Тр
подведено напряжение 5—25 В. Ток при нагреве изменя-
ется, прежде всего, вследствие изменения активного
сопротивления заготовки с температурой следует закону
Я* вЯ»0 + а/),
где /?2о=Р2о//з — сопротивление заготовки при 20 °C, Ом;
Р2о — удельное электрическое сопротивление материала
при 20 °C, Ом-м; I—длина заготовки, м; s — площадь ее
сечения м2; t — температура, °C; а — температурный
коэффициент сопротивления, °C-1.
Ток изменяется также вследствие поверхностного эф-
фекта — вытеснения тока к поверхностным слоям заго-
товки. Поверхностный эффект сильнее сказывается для
заготовок большего диаметра.
Закон изменения плотности тока по толщине заготовки
имеет вид:
. 2яМ г
= Р ,	(2.32)
где Jq — плотность тока на поверхности; — абсолютная
магнитная проницаемость; f—частота тока; р — удельное
84
электрическое сопротивление; х — расстояние от поверх-
ности.
Экспоненциальное изменение плотности тока обычно
заменяют равномерной плотностью тока Jo и по теплово-
му действию тока определяют эквивалентную глубину
проникновения, м,
^к»°=503/Ж7).	(2.33)
которой соответствуют расчетное кольцевое сечение
заготовки и расчетное активное сопротивление.
У магнитных материалов эквивалентная глубина про-
никновения резко изменяется при нагреве выше точки
Кюри (у сталей при 780—800 ° С), так как при этом изме-
няется Цг, поэтому точный учет влияния поверхностного
эффекта на сопротивление заготовки весьма сложен.
В общем случае магнитная проницаемость для магнитных
материалов зависит от тока, но при нагреве металла выше
точки Кюри |*r= 1. В соответствии с этим значительно
изменяется и б8кв- Так, для стали марки 45 при 15 °C
бэкв=3,2 мм, при 850 °C б8кв=90 мм.
Менее значительно изменение глубины проникновения
для цветных металлов (р,г=1). Для меди при 15 °C
бокв”0,5 ММ, При 1000 С	мм.
На активное сопротивление влияют также потери энер-
гии на вихревые токи, возникающие в заготовке под вли-
янием магнитного поля, создаваемого током, и потери на
перемагничивание. При переменном токе ток в заготовке
равен:
______ I = Ulz,
где z =	+ х2; । Яа=^8аг+^тл+Лтр — сумма актив-
ных сопротивлений заготовки, токоподвода и обмоток
трансформатора; х=х3аг+хт,п+хтр — сумма индуктивных
сопротивлений заготовки, токоподвода и трансформатора.
Учет всех факторов, влияющих на изменение тока в
<аготовке, весьма сложен. Поэтому в расчетной практике
до последнего времени для определения основных пара-
метров установок прямого нагрева использовали форму-
лы, полученные на основе экспериментальных данных.
Основными частями установки прямого нагрева явля-
ются:
1)	понижающий трансформатор с несколькими ступе-
нями вторичного напряжения, монтируемый в кожухе
установки;
85
2)	токоподвод от выводов вторичного напряжения
трансформатора до контактов, зажимающих нагреваемое
изделие;
3)	контактное устройство, обеспечивающее механичес-
кое крепление изделия, давление на контактную поверх-
ность и подвод напряжения;
4)	механизм сжатия контактов;
5)	приборы теплового контроля и автоматического
регулирования процесса нагрева.
На рис.2.21 изображена одна из типовых установок
периодического действия для прямого электронагрева
стальных кузнечных заготовок диаметром от 20 до 42 мм
и длиной от 400 до 650 мм. Производительность установ-
ки 60—180 заготовок в час в зависимости от диаметра.
Средний КПД равен 74,5%, усредненный cos<p=0,8.
Мощность установки 150 кВ-А, вторичное напряжение —
от 8,1 до 13,6 В (шесть ступеней). Контроль температуры
заготовок осуществляется фотоэлектрическим пиромет-
ром.
Основной узел конструкции установки — контактное
устройство— может иметь различное исполнение.
Рис. 2.21. Установка для прямого нагрева заготовок.
/ — пульт управления; 2 —механизм загрузки; 3 — токоподвод; 4—контакт-
ная головка; 5 — пневматический цилиндр зажимного устройства.
86
Для печей периодического действия наиболее распро-
странены контакты из меди и ее сплавов (бронз Бр НБТ,
БрХ07) радиального типа и торцевые (рис. 2,22,а, б) с
водяным и воздушным охлаждением.
Давление на контакты определяет переходное сопро-
тивление контакт — изделие RK и соответственно — вы-
деление теплоты под контактом:
RK~1/Pa,	(2.34)
где Р — усилие на контакт; а=0,5ч-1 — коэффициент, за-
висящий от формы контакта. Выбор рабочего усилия на
контакты зависит от поперечных размеров заготовки,
материалов контактирующих поверхностей и тока.
При нагреве стальных цилиндрических заготовок до
температуры 1200°C рекомендуются следующие усилия
па контакты:
Диаметр заготовки, мм............... 20—30	30—50	50—70
Усилие сжатия, кН................... 10	30	50
Для установок непрерывного действия, предназначен-
ных для нагрева проволоки, прутков, труб, применяют
сухие контакты роликового типа (рис. 2.22, в) или жид-
костные.
Рис. 2.22. Типы контактов установок прямого нагрева.
а — радиальные (боковые); б —торцевые; в —роликовые.
87
Печи прямого нагрева применяют для различных тех-
нологических процессов: графитации угольных изделий,
варки стекла, получения карборунда и т. п.
Графитация угольных изделий, т. е. получение искус-
ственного графита, требует длительного (40—100 ч) наг-
рева при 2300—2800 ° С. Работа печи косвенного действия
при таких температурах была бы возможна только при
наличии вакуума или нейтральных защитных газов в ра-
бочей камере для защиты изделий и нагревателей от
окисления.
Графитировочные печи прямого нагрева конструктив-
но очень просты и надежны в эксплуатации. Они выпол-
няются, как правило, однофазными в виде прямоугольных
камер с разъемными стенками, позволяющими легко
осуществлять загрузку и выгрузку изделий подъемно-
транспортными средствами цеха. Подвод тока к загрузке
осуществляется графитированными электродами и бло-
ками через одну или две торцевые стенки печи.
На рис. 2.23 представлена графитировочная электро-
печь П-образной формы с односторонним токоподводом.
Печь имеет две камеры, разделенные глухой стенкой из
огнеупорного материала. В каждую камеру загружаются
угольные изделия (керн). Вокруг керна засыпают гра-
фитовую или угольную крошку, которая играет роль
электропроводящих мостов, предохраняет изделия от
окисления и одновременно служит тепловой изоляцией
печи. Задняя стенка печи с внутренней стороны выло-
жена графитированными блоками, поэтому керны одной
и другой камер последовательно включены в электри-
ческую цепь. Общая масса загрузки 30 000 кг. Подвод
тока к загрузке осуществляется через переднюю торце-
вую стенку графитовыми электродами и блоками.
Для питания графитаровочных печей применяют спе-
циальные трансформаторы с широким диапазоном регу-
лирования вторичного напряжения (в пределах 100 —
250 В) и мощностью 5—15 тыс. кВ-A. Печи с односто-
ронним токоподводом и^еют коэффициент мощности и
КПД более высокие, чем печи с двухсторонним токопод-
водом (cos ф=0,6-*-0,75; т]=0,5-г-0,6).
В последние годы для варки не только специальных
(оптических, декоративных), но и сортовых стекломасс
применяют вместо газовых печей электрические или ком-
бинированные газоэлектрические печи. Для нагрева
стекломассы используется принцип прямого нагрева.
88
Рис. 2.23. Графитировочная электропечь прямого нагрева.
/—•каркас печи; 2 — стационарная разделительная стенка;5— передняя стенка; 4 —задняя стенка; S — графитированные блок”?
€ — съемная железобетонная стейка; 7— токоподводящие электроды; 8 — пересыпка; 9 — керн.	* н
Рис. 2.24, Схема конструкции электрической стекловаренной печи.
Стекловаренная электропечь представляет собой ван-
ну, футерованную блоками из высокоглиноземистых,
магнезитовых или других огнеупорных материалов. Ван-
на имеет несколько отделений, в которых происходят
расплавление шихты, варка стекла с присадкой добавок
и выдача готовой стекломассы при определенной темпе-
ратуре. Выделение теплоты в стекломассе происходит по
закону Джоуля — Ленца при протекании по ней тока.
Материалы электродов — железо, молибден, графит;
формы электродов — цилиндрические, прямоугольного
сечения и пластинчатые.
По расположению в печи различают электроды при-
стенные и донные. Питание электродов осуществляется
от понижающих однофазных и трехфазных трансформа-
торов с регулируемым вторичным напряжением (в пре-
делах 50 — 200 В). Соответственно электроды образуют
однофазные и трехфазные группы. Мощности печей мо-
гут достигать нескольких сотен и тысяч киловатт.
На рис. 2.24 показана схема конструкции стеклова-
ренной электропечи.
Преимущества элекгронагрева по сравнению с газо-
вым при производстве стекла заключаются в следующем:
повышается качество стекла, так как отсутствует взаи-
модействие стекломассы с продуктами сгорания топли-
ва; ускоряется процесс варки, так как теплота выделя-
ется непосредственно в стекломассе; увеличивается теп-
ловой КПД печи; уменьшаются габариты печи;
улучшаются условия труда.
К печам прямого нагрева относятся также электрод-
ные водоподогреватели и паровые котлы, поскольку пре
образование электрической энергии в тепловую в них
происходит непосредственно в нагреваемом теле — воде.
90
Рис. 2.25. Схема конструкции од-
нобакового трехфазного электрод-
ного водоподогревателя (котла)
высокого напряжения.
/ — корпус котла; 2 — электрод; 3 —
проходной изолятор; 4 — диэлектриче-
ский экран; 5 —ходовой винт регули-
рующего устройства; 6, 7 — патрубки
для входа холодной и выхода нагретой
воды.
4 7
Электродный водоподогреватель (котел) представля-
ет собой стальной цилиндрический сосуд с нерасходуе-
мой или протекающей через сосуд водой. В воду погру-
жены электроды, к которым подведено питающее напря-
жение. Электроды, вода и сосуд образуют замкнутую
электрическую цепь. Вода нагревается за счет джоуле-
вой теплоты при протекании тока. При однофазном ис-
полнении котла один из питающих кабелей присоединен
к электроду, другой — к кожуху. В трехфазном водоподо-
гревателе питающие кабели присоединены к электродам,
образующим вместе с водой и кожухом трехфазную сим-
метричную нагрузку. Кожух является нулевой точкой
нагрузки. Выпускаются высоковольтные и низковольт-
ные электродные водоподогреватели. Первые — большой
мощности, строятся индивидуально и получили преиму-
щественное распространение в районах Крайнего Севе-
ра, где ощущается недостаток топлива, а гидроэнергия
в избытке, для нагрева воды в технологических целях,
для отопления и бытовых нужд.
Питающее напряжение 3 — 35 кВ определяет особен-
ности конструкции и эксплуатации этих установок как
высоковольтных устройств (рис. 2.25).
Более широкое распространение получили электрод-
ные водоподогреватели и паровые котлы низкого напря-
жения (380 В), выпускаемые отечественной промышлен-
ностью серийно на мощности от 25 до 400 кВт.
На рис. 2.26 показана конструкция такого трехфазно-
го котла. В отличие от котлов высокого напряжения в
91
2
Рис. 2.26. Электродный водоподогреватель (котел) низкого напря-
жения.
/^датчик температуры; 2 —механизм перемещения антиэлектрода;
ка; 4 — тепловая изоляция; 5 —кожух; 6 — антнэлектрод;_ 7 электрод
8 — патрубок для подвода воды; 9 — патрубок для отвода горячей воды, 10
токоподвод.
котлах низкого напряжения применяются стальные пла-
стинчатые электроды с сильно развитой поверхностью
для уменьшения плотности тока до значения, не вызыва-
ющего электролиз воды. Здесь три фазных электрода
имеют форму секторов. Электроды неподвижны; сопро-
тивление воды, а следовательно, и выделяемая в котле
мощность могут изменяться благодаря перемещению
антиэлектрода (нулевой точки), представляющего собой
коаксиально расположенные относительно электродных
секторов цилиндрические стальные конструкции. Анти-
электрод смонтирован на траверсе, скрепленной с ходо-
вой гайкой винта механизма перемещения. Выступаю-
щий за пределы крышки котла конец винта связан с
маховичком (для ручного управления) и с мотор-редук-
тором.
Регулирование потребляемой мощности может осу-
ществляться в зависимости от заданной температуры
горячей воды вручную — руководствуясь показаниями
термометра, установленного у выходного патрубка, или
автоматически — с помощью электроконтактного термо-
метра, который дает сигналы на включение и выключе-
ние питания электрокотла при понижении или повышении
температуры воды против заданной. При обогреве поме-
щений горячей водой от электрокотла регулирование
мощности может осуществляться в зависимости от тем-
пературы воздуха в помещении или снаружи. Электрод-
ные водоподогреватели (котлы) получили распростране-
ние для нагрева воды в технологических целях в хими-
ческой, текстильной, целлюлозно-бумажной и пищевой
промышленности, а также в сельском и коммунальном
хозяйстве.
Распространению электрокотлов способствуют их
преимущества по сравнению с топливными: малая теп-
лоинерционность (рабочий режим достигается через
10 — 20 мин после включения), легкость регулирования
температуры, высокий КПД (95 — 98%). малые габари-
ты, чистота процесса (отсутствие отравления дымом й
копотью окружающей среды).
Часть электроводоподогревателей работает на нерас-
ходуемой воде. Нагретая в электрокотле вода поступает
в теплообменник и возвращается в котел (замкнутый
цикл). Нагрев расходуемой воды происходит в теплооб-
меннике, при этом снижается КПД установки, но упро-
щается эксплуатация электрокотлов. При протекании рас-
93
ходуемой воды через котел затруднено или невозможно
регулирование температурного режима, так как удель-
ное электрическое сопротивление воды различных водое-
мов может очень значительно отличаться от удельного
сопротивления воды, принятого в расчете при проектиро-
вании котла; кроме того, оно сильно меняется в зависи-
мости от времени года.
2.10.	РАЦИОНАЛЬНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Электрические печи сопротивления являются крупными потреби-
телями электроэнергии: установленные мощности печей достигают
нескольких сотен и тысяч киловатт. Поэтому вопросы рациональной
эксплуатации имеют большое значение с точки зрения экономии
электроэнергии и снижения себестоимости продукции, обрабатывае-
мой в электропечах этого класса. Экономическая эффективность
каждого процесса электронагрева характеризуется прежде всего
удельным расходом электроэнергии, поэтому рациональная эксплуа-
тация действующих печей включает в себя ряд мероприятий по
снижению удельного расхода электроэнергии и тем самым —уде-
шевлению продукции.
Мероприятия по экономии электроэнергии в действующих элект-
ропечах в основном сводятся к увеличению производительности
электропечей, уменьшению тепловых потерь всех видов, использова-
нию теплоты нагретых деталей и механизации и автоматизации ра-
боты печей.
Производительность печи очень сильно влияет на ее экономи-
ческие показатели: КПД, удельный расход электроэнергии, а также
и на стоимость термической обработки единицы обрабатываемой
продукции.
Энергия, затрачиваемая на нагрев изделий, прямо пропорцио-
нальна производительности, а тепловые потери печи от последней
не зависят. Поэтому при уменьшении производительности потери
теплоты распределяются на меньшую массу обрабатываемых изде-
лий (материала), тепловой КПД печи снижается, а удельный расход
электроэнергии возрастает.
Увеличение производительности печи возможно без каких-либо
материальных затрат только в том случае, если печь обладает запа-
сом мощности. Наличие этого запаса можно выявить сравнением
фактической производительности с максимально возможной.
У печей периодического действия, работающих в стационарном
режиме круглосуточно или без выключения на периоды длительного
простоя, мощность тепловых потерь постоянна: РПот=const. Мощ-
ность, потребляемая печью за период нагрева, изменяется от установ-
ленной мощности Рпечя до мощности в конце периода нагрева, соот-
ветствующей мощности потерь холостого хода РПот.
Для процессов, не требующих длительной выдержки, средняя
мощность за цикл работы печи составляет Рср«0,85 Рпечп. Макси-
мальная часовая производительность печи gmax, кг/ч, при этом
равна:
gtnax —
0,85РДечи — ^пот
(2.35)
94
где Рпечифактическая установленная мощность печи (номиналь-
ная), определяемая по показаниям приборов; РНоТ— мощность хо-
лостого хода печи, определяемая опытным путем по показаниям
счетчика при холостом ходе печи в стационарном режиме (Рпот=
=const); wT — теоретический удельный расход энергии, необходимый
для нагрева 1 кг материала до температуры, требуемой технологи-
ческим процессом, кВт-ч/кг.
Минимальный удельный расход электроэнергии в соответствии
с этим уравнением равен:
Рср  	0,85Р печи
wmin ~	п оеп	р
gmax и печи г пот
При цикле работы печи, включающем длительную выдержку,
максимальная производительность снижается в соответствии с отно-
шением времени нагрева тн к суммарному времени пребывания из-
делий в печи Тн+Твыд:
__ 0,85РПечи — ? пот__________
gmax —	_ j _
TH -f- Твыд
Минимальный удельный расход электроэнергии при этом равен:
(2.36)
(2.37)
wtnin — 0,85Рпечи/gmax » ?пот/gmax — Мgmax (О>85РПечи	^пот) •
(2.38)
Если установленная (номинальная) мощность зоны соответству-
ет потребляемой (контактор не отключается), то нагреватели посто-
янно включены. Редкие отключения контактора и одновременно ма-
лое время выключенного состояния по сравнению с включенным сви-
детельствуют о хорошем использовании мощности и отсутствии за-
паса мощности. Частые отключения и большое время выключенного
состояния по сравнению с включенным говорят о наличии запаса
мощности,	!
Определение максимальной производительности и минимального
удельного расхода электроэнергии для печей непрерывного дейст-
вия возможно только при нагреве теплотехнически тонких изделий в
однозонных печах или при одинаковой мощности равновеликих зон.
В многозонных печах запасы мощности по зонам могут быть
различны; не одинаковы по зонам и тепловоспринимающие способно-
сти изделий.
При наличии запаса мощности в зонах нагрева реальную произ-
водительность печи можно увеличивать, изменяя укладку изделий с
повышением массы их на 1 м длины печи или увеличивая скорость
перемещения изделий. Эти изменения должны находиться в соответ-
ствии с требованиями технологического процесса по скорости нагре-
ва, равномерности и точности распределения температуры загрузки.
В практике эксплуатации электрических печей сопротивления
встречаются случаи увеличения мощности печей для повышения их
производительности и снижения удельного расхода электроэнергии.
Увеличение мощности достигается путем установки новых на-
гревателей тех же размеров, но из более качественных материалов,
позволяющих развивать ббльшую удельную поверхностную мощность,
95
или установкой нагревателей из того же сплава» но с большей по-
верхностью. Возможна также установка дополнительных нагрева-
телей на не использованных ранее стенках печи.
У печей непрерывного действия во входных зонах следует зада-
вать большие значения мощности, обеспечивая форсированный на-
грев, так как холодная загрузка, входящая в печь, способна погло-
щать большое количество теплоты.
Форсированный нагрев целесообразен по всем зонам для нагрева
тонких или высокотеплопроводных изделий, не имеющих в процессе
нагрева значительного температурного перепада по сечению. Это
форсирование обеспечивается высокими удельными мощностями на
поверхности стенок печи, причем температура нагревателей может
существенно превышать конечную температуру нагрева изделии.
Увеличение мощности печей периодического действия для повы-
шения их производительности целесообразно только в тех случаях,
когда время выдержки в цикле работы печи незначительно. Увели-
чение мощности дает уменьшение времени нагрева, но во время вы-
держки печь потребляет из сети только мощность, идущую на по-
крытие тепловых потерь, и в среднем за цикл мощность печи исполь-
зуется плохо.
Уменьшение тепловых потерь. Экономия электроэнергии за счет
уменьшения тепловых потерь в зависимости от вида этих потерь до-
стигается: улучшением качества материалов кладки (потерь тепло-
проводностью через стенки печи); уменьшением проемов, щелей (по-
терь излучением и конвекцией); сокращением простоев печи (потерь
теплоты, аккумулированной кладкой). За последние годы —в СССР
появилось много новых высококачественных теплоизоляционных ма-
териалов и легковесных огнеупоров (см. табл. 1.4, табл. 1.5), приме-
нение которых дает существенное снижение тепловых потерь.
В печах, работающих с контролируемыми атмосферами, соде^
жащими водород, углерод и углеводородные компоненты, теплопро*
водность кладки значительно увеличивается и возрастают тепловые
потери, поэтому при ремонте печи следует заменять материалы огне-
упорной и теплоизоляционной частей кладки на наименее газопро-
ницаемые или обеспечивать газонепроницаемость кладки обмазкой
внутренней поверхности.
В общем случае целесообразно в качестве огнеупорных материа-
лов применять легковесные шамоты, а для тепловой изоляции ис-
пользовать легкие пористые материалы: пенодиатомит, ультралегко-
весный шамот, пеностекло, зонолит, минераловатные плиты, перли-
товые изделия и засыпки. ,
Об эффективности тепловой изоляции кладки печи, т. е. о теп-
ловых потерях, можно судить по температуре кожуха печн (табл.
2.2).
Таблица 2.2. Тепловые потери ро, кВт/м2, кожуха печи
при температуре окружающего воздуха 10 и 20° С
Температура воздуха. *С	Температура кожуха печи, *С							
	30	40	50	60	80	100	120	150
+10 +20	0,2 0,098	0,32 0,21	0,46 0,437	0,61 0,483	0,91 0,80	1.3 1,16	1.71 1,36	2,4 2,26
96
Пользуясь этими данными, можно определить тепловые потери
через стенки работающей печи. Для этого кожух печи следует раз-
бить на участки и измерить с помощью термощупа (поверхностной
термопары) температуру кожуха по отдельным участкам.
Для каждой стенки печи (боковой, верхней, торцевой) по резуль-
татам измерений определяют ее среднюю температуру и по ней —
мощность тепловых потерь, кВт:
Рпот ~
где ро берется из табл. 2 2.
Кроме определения мощности тепловых потерь измерение темпе-
ратуры кожуха дает возможность судить о состоянии тепловой изо-
ляции на отдельных участках кладки печи (выявить местные пере-
гревы) .
Температура кожуха для низко- и среднетемпературных печей
рекомендуется до 40—60° С.
Потери излучением, и конвекцией через открытые проемы и ще-
ли печи могут быть большими. Особенно велики потери на излуче-
ние при температуре печи свыше 600° С (табл. 2.3).
Таблица 2.3. Потери излучением с 1 м2 отверстия
Потери излучением, кВт/м*	Температура печи. °C				
	600	700	800	. 900	1000
Через, проемы и окна (ф=0,5) Через щели и небольшие отвер- 'гия (ф=0,15)	17 5	26 7,8	36 10,5	55 16,5	75 22,5
В процессе эксплуатации печей необходимо следить за размера-
ми загрузочных и разгрузочных проемов, соблюдать их соответствие
габаритам загрузки. Особенно это важно для печей непрерывного
действия, работающих с постоянно открытыми проемами (конвейер-
ных, р<ул>ганговых, печей с пульсирующим подом). Для печей пе-
риодического действия и печей непрерывного действия с преры-
вистым перемещением загрузки (толкательных, с шагающим подоц)
большое значение для снижения тепловых потерь через проемы име-
ет уменьшение времени загрузки и выгрузки.
Потери тепло? ы, аккумулированной кладкой печи и элементами
конструкций, находящимися внутри рабочего пространства, для пе-
чей непрерывного действия и периодического действия, работающих
непрерывно, существенно не влияют на эксплуатационный удельный
расход электроэнергии так как эти печи редко выключаются на
длительный срок.
В печах периодического действия, работающих в одну или две
смены с выключением нагревателей, потери аккумулированной теп-
лоты за время простоя могут быть весьма значительными, поэтому
следует стремиться организовать непрерывную круглосуточную ра-
боту печей.
При необходимости работы печи в одну или две смены можно:
1) выключать печи на все время простоя, 2) включать на часть это-
7-859	97
го времени, т. е. включать печь на разогрев (без загрузки) за не-
сколько часов до начала работы; 3) не выключать печь на время
простоя (холостой ход печи соответствует мощности, потребляемой
от сети: Рх = РПот).
В большинстве случаев третий вариант наиболее целесообразен,
особенно при двухсменной работе печи; второй вариант несколько
хуже, а первый экономически нецелесообразен.
Использование теплоты нагретых деталей (рекуперация энергии)
возможно в печах, предназначенных для технологических процессов
с медленным охлаждением изделий после нагрева. К таким процес-
сам относятся, например, отжиг черных и цветных металлов, обжиг
керамики, спекание металлокерамики.
В печах периодического действия рекуперация энергии дости-
гается установкой рядом с печью рекуперативных футерованных ко-
лодцев или камер, в которые поочередно помещают горячую загруз-
ку, извлеченную из печи для охлаждения, и холодную загрузку
для ее предварительного подогрева. Использование теплоты нагре-
той загрузки может привести к снижению удельного расхода элек-
троэнергии на 15—20%, но при этом необходимо иметь четкий ритм
движения изделий, а время их пребывания в печи должно быть
согласовано с временем пребывания в рекуперативной камере. Кро-
ме того, установка рекуперативных камер требует дополнительных
площадей в цехе. Более эффективным решением является устройст-
во сдвоенных рекуперативных камер или колодцев с принудитель-
ной циркуляцией атмосферы. В такой сдвоенной камере интенсивно
идет процесс теплоотдачи от горячих изделий к холодным и эконо-
мия электроэнергии достигает 20—25%.
В печах непрерывного действия эффект рекуперации может быть
максимальным, если изделия движутся противотоком.
Опыт эксплуатации толкательной рекуперативной печи для от-
жига алюминиевой ленты в рулонах показал, что по сравнению с
аналогичной нерекуперативной печью удельный расход электро-
энергии снижается на 25—27%.
Механизация и автоматизация работы печей. При механизации
загрузки и выгрузки изделий повышается производительность,
уменьшаются тепловые потери через открытые проемы печи и сни-
жается удельный расход электроэнергии; поэтому следует стремить-
ся полностью механизировать работу печей.
Автоматическое управление механизмами печи обеспечивает
быструю и четкую работу механизмов в необходимой последователь-
ности. Особенно важна автоматизация механизмов в печах, имею-
щих комплекс механизмов загрузки и выгрузки: в элеваторных, тол-
кательных, в печах с шагающим подом.
В настоящее время все промышленные печи сопротивления ра-
ботают с автоматическим регулированием температурного режима.
Автоматические регуляторы температуры, приводя в соответствие
потребляемую электрической печью мощность с требуемым темпера-
турным режимом, обусловливают снижение удельного расхода элек-
троэнергии по сравнению с работой при ручном регулировании.
Ручное регулирование применяется только как дублирующее на слу-
чай отказа автоматического. Длительная работа при ручном регули-
ровании недопустима.
Техника безопасности для всех видов печей сопротивления ос-
новывается прежде всего на правилах и мерах безопасности, при-
меняемых к цеховому электрооборудованию, работающему при на-
98
пряжении до 1000 В. Исключение составляют электродные высоко-
вольтные электроводоподогреватели, которые относятся к группе
высоковольтного электрооборудования.
Основные меры безопасности от поражения током при эксплуа-
тации электрических печей сводятся к следующему:
1.	Токоведущие части, выходящие за пределы кладки (выводы
нагревателей, токопроводы к электродам, контактам), должны
быть ограждены так, чтобы исключить возможность прикоснове-
ния к ним.
2.	Кожухи печей и нагревательных устройств должны быть на-
дежно заземлены.
3.	Открывание загрузочных проемов и осуществление загрузки и
выгрузки изделий в печах садочного типа не допускаются при вклю-
ченных нагревателях: в схемах питания должна быть предусмотрена
блокировка, автоматически отключающая нагреватели при открыва-
нии дверец или крышек печи.
Эксплуатация печей сопротивления создает в цехах, где они
установлены, повышенную пожароопасность и опасность ожогов об-
служивающего персонала. При проектировании помещений и монта-
же в них электропечей необходимо соблюдение общих правил,
сформулированных в руководящих указаниях по технике безопас-
ности и производственной санитарии при термической обработке и
плавке металлов.
Основные специфические противопожарные мероприятия и пра-
вила следующие:
1.	Работа персонала у печей допускается только в спецодежде,
рукавицах и очках для работы на плавильных печах и соляных
ваннах.
2.	В непосредственной близости к печам должен быть оборудо-
ван пункт хранения противопожарного инвентаря.
3.	В цехах, эксплуатирующих электрические печи, должно быть
предусмотрено аварийное освещение па случай внезапного прекра-
щения подачи энергии.
В электропечах вакуумных и работающих с контролируемыми
(защитными или специальными) атмосферами имеется опасность
взрыва.
В вакуумных электропечах взрыв возможен при попадании в
зону высоких температур воды, масла и других разлагающихся ве-
ществ вместе с воздухом. В печах с защитными или специальными
атмосферами опасность взрыва связана с образованием гозовоздуш-
ной смеси.
Практически взрывоопасны все горючие газы, но особую опас-
ность представляет водород. Водородовоздушная смесь взрывоопас-
на при содержании в ней водорода от 4 до 74%.
Взрывобезопасность вакуумных печей в основном обеспечивает-
ся при их конструировании путем повышения надежности элементов
конструкции.
При эксплуатации печей с контролируемыми атмосферами не-
обходимо принимать специальные меры безопасности. Каждая печь
должна иметь разработанную для данного технологического процес-
са инструкцию по технике безопасности, где следует учитывать, что
газовые смеси, содержащие окись углерода, сернистый газ, аммиак
и сероводород, не только взрывоопасны, по и токсичны.
Содержание этих газов в производственных помещениях не
должно превышать 0,01—0,03 мг на 1 л воздуха.
7*	99
Основные правила по взрывобезопасности печей, работающих с
горючими газами, следующие:
1.	Перед началом работы из рабочего объема печи должен быть
удален воздух (продувкой, выжиганием, вакуумированием). Про-
дувка нейтральным газом (азотом, углекислотой) перед включением
нагревателей до полного удаления воздуха требует расхода нейтраль-
ного газа, примерно равного четырехкратному объему рабочего про-
странства печи. Выжигание воздуха подачей рабочего газа в нагре-
тую выше 750° С камеру печи допускается для печей, имеющих на-
греватели, не окисляющиеся на воздухе. Выжигание производится
до полного удаления кислорода. Вакуумирование рабочего объема
перед подачей газа требует наличия вакуумной системы, обеспечи-
вающей остаточное давление порядка 10—50 Па (0,1—0,5 мм
рт. ст.).
2.	В процессе работы печи подача газа должна контролировать-
ся по количеству и составу автоматическими приборами; кроме того,
камеры печей с горючими газами снабжаются свечами — узкими
трубками, из которых выходит газ, сгорающий на воздухе. Исчезно-
вение пламени свечи указывает на снижение давления газа в печи
и возможный опасный засос воздуха.
3.	Эксплуатация электрических печей и вспомогательных уст-
ройств в неисправном состоянии не допускается.
4.	К работе на печах допускается персонал, прошедший специ-
альное обучение и сдавший экзамен по технике безопасности. Экза-
мен по технике безопасности сдается ежегодно.
Цеха или отделения цехов, где установлены электрические печи
сопротивления, должны иметь вентиляцию, рассчитанную на удаление
газов и отвод тепловых потерь, чтобы обеспечить требуемые по сани-
тарным нормам чистоту и температуру воздуха.
Глава третья
ИНДУКЦИОННЫЙ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Индукционные установки и установки диэлектричес-
кого нагрева по принципу действия относятся к электро-
термическим установка^, где электрическая энергия вы-
деляется непосредственно в нагреваемых изделиях. Поэ-
тому они обладают большей производительностью, а
часто и более высоким КПД по сравнению с установка-
ми косвенного нагрева (е передачей энергии путем теп-
лопроводности, конвекцией, излучением).
Принцип работы индукционных нагревательных и
плавильных установок основан на поглощении электро-
магнитной энергии металлическим телом, помещенным
в переменное электромагнитное поле индуктора, а прин-
цип действия диэлектрических установок — на выделе-
100
нии тепловой энергии при помещении диэлектриков и
полупроводящих материалов в переменное электричес-
кое поле конденсатора. Нагрев металла в индукторе осу-
ществляется путем поглощения электромагнитной энер-
гии металлом при наведении вихревых токов проводи-
мости и превращении ее в тепловую, а нагрев
диэлектриков и полупроводников — за счет поглощения
электрической энергии поля конденсатора при наведении
токов смещения.
В практике индукционного нагрева могут встречаться
два основных случая; нагрев плоских металлических по-
верхностей (нагрев плиты) и нагрев цилиндрических ме-
таллических поверхностей (валов, стержней, заготовок
круглого сечения, шеек, фланцев и т. п.).
Нагрев крупных валов или поверхностей с большим
радиусом закругления можно рассматривать как нагрев
плоских поверхностей, а нагрев металлической загрузки
в индукционных тигельных печах — как нагрев цилин-
дрического тела, поскольку расплавленный металл при-
нимает форму цилиндрического тела (тигля).
Индукционный нагрев металлических тел основан на
теории процессов, происходящих в телах, помещенных в
переменное электромагнитное поле. Исходными уравне-
ниями для исследования электромагнитных процессов
при нагреве металлических тел (в пренебрежении тока-
ми смещения) являются уравнения Максвелла:
rotH = 8; divH = 0;
rotE=—— ; divE=0,
dt
(3.1)
где H и Е—векторы напряженностей магнитного и элек-
трического поля соответственно; В — вектор магнитной
индукции; б — плотность тока проводимости.
При решении уравнений, используя прямоугольную
систему координат, направляя векторы Но и Ео на по-
верхности полуограниченного металлического изотроп-
ного тела по координатам хну, как показано на рис. 3.1,
а координату z — в глубь тела, заменяя
б = —, в = ран
без учета краевого эффекта и полагая синусоидальное
изменение Но, Ео, получаем:
H=Hoe“fa; E = Eoe“fa,
(3.2)
101
где
/<0Ра	. 1 -г / .
Р Дэ
Рис. 3.1. Зависимость ампли-
туд электромагнитных волн в
металлическом полуограничен-
ном теле от отношения г/Дэ.
Здесь р — удельное элек-
трическое сопротивление ме-
талла, ОмХм; ga—абсо-
лютная магнитная прони-
цаемость тела, Гн/м; Дэ—
глубина проникновения то-
ка, м; со — угловая частота,
рад/с.
Анализируя уравнения
(3.1) и (3.2), видим, что
электрическая волна ослаб-
ляется по мере удаления от
поверхности в глубь тела по
координате z, и тем быст-
рее, чем больше k (или
меньше глубина проникно-
вения волны Дэ). Ослабле-
ние волн происходит по экс-
поненциальному закону. На
расстоянии 2=ДЭ от поверхности амплитуды Е и Н
падают (рис. 3.1) до значений:
Е = Еое-! = О,368Ео; 1
Н = Ное-1 = О,Зб8Но }
(3.3)
При проникновении электромагнитной волны в про-
водящую среду она ослабляется из-за поглощения средой
энергии этой волны. Ослабление волны характеризуется
уменьшением амплитуды волны по направлению рас-
пространения. На некотором расстоянии от поверхности
проводящего тела волна практически поглощается телом
(см. рис. 3.1).
Для индукционных установок, содержащих систему
«индуктор — нагреваемое, тело», в первую очередь сле-
дует рассчитать активную и реактивную энергии, инду-
цированные в них электромагнитной волной. Вектор по-
верхностной плотности потока электромагнитной энергии
определяется вектором Умова — Пойтипга:
Р = -j- Ё X Н*.	(3.4)
102
Здесь Н* — комплексная величина, сопряженная с Н.
Поскольку вектор Умова — Пойтинга представляет
собой энергию, отнесенную ко времени и площади по-
верхности, его единица равна Дж/(с-м2) или В т/м2.
Поток энергии на глубине Дэ уменьшается в е2 раз.
т. е. в 7,4 раза, по сравнению с потоком энергии на по-
верхности Ро и составляет 0,136 Р« (см. рис. 3.1).
Следовательно, в слое толщиной Дэ поглощается
86,4 % всей энергии, прошедшей через поверхностный
слой тела.
Заменив р.а=РгЦо и ®=2л/, где — относительная
магнитная проницаемость металла и щ—магнитная по-
стоянная, равная 0,4л-10-в Гн/м, глубину проникновения
тока Дэ, м, можно выразить так:
Дэ = /2^ = 503	(3.5)
Для любого металлического тела, помещенного в
электромагнитное поле индуктора с током и числом
витков twi,o, приходящимся на единицу длины индуктора,
м, активная и реактивная составляющие мощности Ра,
Рт будут равны: (кВт/м2 и квар/м2 соответственно):
Ра = 2 • IO-6 щ Wj>0)2 у pllrf
Рг = 2 • IO"6 (4 U-i.o)2 /йй<?пл,ц. J
где Гпл.ц и бпл,ц являются сложными функциями, зави-
сящими от относительной толщины плоского тела
2ДПЛ/ДЭ или от относительного радиуса цилиндрического
тела Го/2/Аэ;
Дил — толщина плоского нагреваемого изделия; г0 —
радиус наружной поверхности цилиндрической детали.
Для полуограниченного тела (или плиты с относитель-
ной толщиной 2ДПЛ/Дэ^3) и для цилиндров сгоК2/Дв>-
^-ЮГплд <5Плд=1, т. е. Ра—Рг, а коэффициент мощно-
сти составит:
cos <р  ---Ра  = —— =0,707.	(3.7)
/^ + P2r V*
Для сравнительно «тонких» плит и «тонких» цилинд-
ров ГПЛд и бплд можно определить по графикам на
рис. 3.2 и 3.3 по аргументам 2ДПЛ/Дэ и ГоК2/Дэ соответ-
ственно. Коэффициент мощности в этом случае опреде-
лится как
(3.8)
103
COS фпл,ц —
1 + (бпл.ц/^пл.ц)*
Рис. 3.2. Функции Fan, Опл и COS фпл ДЛЯ плиты.
Для удельной погонной мощности, т. е. мощности на
единицу длины нагреваемого цилиндрического тела, зна-
чение удельной поверхностной мощности [формула (3.6)]
следует умножить на площадь боковой поверхности ци-
линдра S^—ndol и разделить на длину цилиндра/. Полу-
чим для Ра и Рг, кВт/м и квар/м, соответственно:
Ра = 6,2- 1(Н*(Л wlfiydoy^fF^ |	(
Рг — 6,2 • 10-6 (/х uh.o)® d0 К PHr f Gn. J
Рис. 3.3. Функции Гц, Сц и cos <рц для цилиндра.
104
Удельные погонные потери мощности в цилиндричес-
ком индукторе определяются так же, как и мощности в
нагреваемом цилиндре, только необходимо учесть коэф-
фициент заполнения проводниковым материалом индук-
тора #з,и=Авит,и/^вит,и'
Рт = 6,2-10-6(Л	/ри/Ги;
«8, И
рп = 6,2.10-6 (А од о)8 _А_
Л3,И
(3.10)
Здесь ри — удельное электрическое сопротивление ме-
талла индуктора, Ом-м; Лвит,и — высота витка индукто-
ра, м; Твит,и — шаг намотки витков индуктора, м.
Функции Ря и GH для индуктора определяются по
графикам на рис. 3.2 по отношению толщины активного
слоя витка индуктора Аи к глубине проникновения тока
в проводниковый материал индуктора Д81И, т.е. 2ДИ/Д8,и.
так как радиус ги индуктора ги У^/Дэ.и > 7, когда можно
принять РЯ=РЯЯ и би=бПл. Для уменьшения потерь в
индукторе надо,’ чтобы было FM=1, т.е. когда 2ДИ^
^2,7Д8Л, отсюда Ди^^1,35Дэд.
Электрический КПД системы «индуктор — нагревае-
мое тело» можно представить как
—1-------•
Ра + Раи 1+Раи/Ра
При больших частотах тока, когдаго У^/Дд^-7, пре-
дельный КПД т]8,пр можно найти по выражению
Пэ,пр ----------- .	(З.П)
1 [	1 / РиИга
V р|*г
Коэффициент полезного действия т]8 и коэффициент
мощности cos <р уменьшаются с увеличением зазора меж-
ду деталью и индуктором и уменьшением коэффициента
заполнения индуктора &з,и. При уменьшении отношения
У РиРги/рМт КПД возрастает (цги всегда равно 1, так
как индуктор выполняется из меди).
При выводе вышеприведенных формул не учитыва-
лись многие явления, которые в действительности имеют
место при индукционном нагреве металла. Так, в про-
цессе нагрева изменяются и глубина проникновения тока,
105
и мощность, потребляемая нагреваемым телом, посколь-
ку р и цг тела изменяются в процессе нагрева с его темпе-
ратурой, а рг — и с напряженностью магнитного поля.
Для ферромагнитных материалов при 0=7304-770° С
относительная магнитная проницаемость цг от значения
50 — 100 падает до 1; для немагнитных металлов всег-
да равна 1. Поэтому для ферромагнитных металлов глу-
бина проникновения при достижении телом точки маг-
нитных превращений резко увеличивается, а поглощае-
мая мощность при этом уменьшается.
Кривые потребляемой мощности, снятые опытным
путем в процессе нагрева металла, не имеют такого рез-
кого скачка, так как нагрев металла фактически проис-
ходит постепенно, от слоя к слою, и поэтому в каждый
момент времени существуют слои с различными р и рг.
Глубина проникновения Лэ с увеличением частоты
уменьшается в Vf раз [см. (3.5)], а поглощаемая мощ-
ность Ра увеличивается в раз [см. (3.6) и (3.9)].
В табл. 3.1 приведены значения глубины проникнове-
ния для некоторых металлов в зависимости от частоты
тока и температуры.
Как видно из таблицы, глубина проникновения для
стали, изменяющей магнитные свойства в процессе на-
грева, при 0 = 1000° С увеличивается более чем в 30 раз
по сравнению с Дэ для стали при температуре 20° С, тог-
да как для цветного металла глубина проникновения
увеличивается только в 2 — 3 раза.
При выборе сечений токопроводов и индукторов (шин,
труб, кабелей, активной части витка индуктора и т. п.)
необходимо учитывать влияние поверхностного эффекта
и кольцевого эффекта, когда плотность тока неравномер-
но распределяется по сечению проводника. Так, наиболь-
шая плотность тока в цилиндрических одповитковых и
многовитковых индукторах (катушках) наблюдается на
внутренних сторонах витков индуктора, что носит назва-
ние «катушечного эффекта» (рис. 3.4, а, б). В шинопро-
водах наибольшая плотность тока будет иметь место на
внутренних сторонах проводников при параллельном
расположении проводников с разнонаправленным током,
а при одинаковом направлении тока — по наиболее уда-
ленным друг от друга сторонам (рис. 3.4, в,г).
При коаксиальном расположении проводников сече-
ние их также используется не полностью: у проводника
106
Таблица 3.1. Глубина проникновения Дэ, 10“3 м
Параметр			
	Сталь		
Температу- ра, °с	20	1000	20
Удельное электрическое сопротивление р, Ом»м	10-10—в	130-10-8	2-10-8
Относитель- ная магнитная проницаемость Цг	60	1	1
Частота F, Гц: 50 1000 2500 8000 70000 150000 250000	2,8 0,64 0,40 0,22 0,07 0,05 0,04	85,5 19,0 12,0 6,7 2,21 1,55 1,20	9,5 2,1 1,34 0,75 0,35 0,16 0,13
Металл
гдь	Латунь		Алюминий	
1000	20	850	20	600
10-10—8	7.10-8	14,7-10-8	2,9-10-8	11,3-10-»
1	1	1	1	1
23,5	18,7	27,4	12,0	24,0
5,1	4,2	6,1	2,7	5,4
3,3	2,57	3,86	1,7	3,4
1,8	1,48	2,16	0,95	1,7
0,55	0,45	0,66	0,31	0,60
0,39	0,32	0,47	0,21	0,42
0,32	0,26	0,39	0,17	0,34
Рис. 3.4. Распределение переменного тока по сечению проводников.
а — в одновитковой катушке; б — в многовитковой катушке; в — при разнона-
правленном токе в шинах; г — при одинаково направленном токе в шинах;
д — при разнонаправленном токе и коаксиальных трубах.
большего диаметра ток проходит по внутренней стороне,
а у проводника меньшего диаметра — по наружной сто-
роне (рис. 3.4, д).
В установках диэлектрического нагрева обрабатывае-
мый материал помещается между пластинами рабочего
конденсатора, являющегося частью высокочастотного
контура. Нагрев происходит за счет выделения диэлек-
трических потерь в этом материале. Если нагреваемый
материал является пЬлупроводником (сырое дерево,
картон, пряжа и т. п.), то нагрев происходит за счет на-
ведения как токов смещения, так и тока проводимости.
Поскольку в процессе технологической обработки
материала меняются его» свойства, изменяются и пара-
метры нагрузочного контура, и выделяемая мощность в
нагреваемом объекте.
При преобладании токов смещения можно пренебречь
токами проводимости и выделяемую мощность РЛ опре-
делять по выражению
Рд = ©Ct/8 tg 8,
(3.12)
108
где U — напряжение между электродами, В; со —угло-
вая частота, рад/с; С — емкость конденсатора между
пластинами, Ф; tg б — тангенс угла диэлектрических по-
терь.
Коэффициент диэлектрических потерь tg 6 зависит от
природы материала, наличия примесей (влаги, проводя-
щих частиц и др.), частоты, температуры материала и
напряженности электрического поля. Для большинства
материалов наличие влаги и увеличение температуры и
напряженности приводят к увеличению tg б.
Емкость рабочего конденсатора зависит от диэлек-
трической проницаемости материала, расположенного
между электродами конденсатора, от размеров пластин
и расстояния между ними, а также от взаимного разме-
щения материала и электрода.
Электрическая емкость плоского конденсатора, Ф
С = 8,806//^	(3.13)
где b — ширина электрода, м; I—длина электрода, м;
а — расстояние между электродами, м; во=8,85-10~12
Ф/м — диэлектрическая постоянная; ег — относительная
диэлектрическая постоянная материала.
Мощность, выделяемая в единице объема нагревае-
мого диэлектрика, Ру, кВт/м3, определяется по выраже-
нию [используем (3.12) и (3.13)]
pv = -£*. =	(3.14)
а
где С8—емкость на единицу поверхности, Ф/м2.
Подставляя в (3.14) С8=С1Ы и учитывая, что для
плоского конденсатора напряженность электрического
поля, кВ/м, равна E=U!a, получаем:
Pv = 5,55sr/Eatg6-10-«,	(3.15)
т. е. выделяемая мощность в диэлектрике пропорцио-
нальна частоте f и tg б. Позггому установки диэлектри-
ческого нагрева работают на частоте в десятки и сотни
мегагерц.
3.2.	КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДУКЦИОННЫХ
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
По назначению индукционные установки делятся на плавильные
печи, миксеры и нагревательные установки. Под индукционными
электропечами подразумевают индукционные установки, предназна-
109
ченные для нагрева металлов и сплавов выше температуры их рас-
плавления и перегрева металла до температуры разливки. Сюда от-
носятся электропечи для плавки черных металлов и для плавки цвет-
ных металлов и сплавов. Миксеры служат как для подогрева жид-
кого металла до температуры разливки, так и для выравнивания его
состава и поддержания его температуры.
Под нагревательными индукционными установками подразумева-
ют установки для нагрева деталей до температуры термообработки
или горячей деформации металла, т. с. меньшей, чем температура
расплавления металла. Это — индукционные установки для сквозно-
го нагрева под горячую деформацию металлических заготовок и
установки для термообработки (поверхностная закалка, отпуск
и пр.).
По частоте тока источника питания индукционные установки де-
лятся на печи и нагревательные установки низкой (промышленной)
частоты (50 Гц), печи и нагревательные установки средней частоты
(150—10 000 Гц), печи и нагревательные установки высокой частоты
(50—1000 кГц) и установки диэлектрического нагрева—установки
сверхвысокой частоты (5—5000 МГц).
По конструкции индукционные печи и нагревательные установки
могут выполняться открытыми, т. е. работающими при атмосферном
давлении воздуха, и герметически закрытыми, т. е. работающими или
с разрежением воздуха внутри плавильного пространства, или с по-
вышенным давлением при заполнении рабочего пространства ней-
тральным газом (азотом, аргоном, водородом). Закрытые установки
могут быть выполнены как вакуумно-компрессионные.
По режиму работы различают печи и установки периодического
действия и печи и установки непрерывного действия.
По принципу действия индукционные печи подразделяются на ти-
гельные (печи без сердечника) и канальные (печи с сердечником),
названные так по элементам конструкций печи, где находится рас-
плавленный металл.
Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко при-
меняется в различных областях промышленности для самых разно-
образных целей: для плавки металлов и сплавов, горячей деформа-
ции металла, термообработки, зонной очистки металлов и т. п.
Установки диэлектрического нагрева образуют отдельную груп-
пу установок, работающих на высоких и сверхвысоких частотах. Они
разнообразны по назначению и исполнению. В качестве источников
питания применяются ламповые генераторы. Эти установки предназ-
начены главным образом для нагрева диэлектриков и полупроводя-
щих материалов при получении синтетических материалов из пресс-
порошков, склейке, сушке, сварке пластиков и других видах обра-
ботки непроводниковых материалов. Классификация индукционных и
диэлектрических установок приведена в [17].
При диэлектрическом нагреве используются частоты от сотен
килогерц до сотен мегагерц. Преимуществом нагрева материалов в
поле конденсатора является выделение теплоты непосредственно
внутри нагреваемого объекта за счет поляризации (токов смещения).
Высокочастотные установки для нагрева непроводниковых и полу-
проводниковых материалов применяются в различных отраслях про-
мышленности и сельского хозяйства.
Развитие индукционных установок и установок диэлектрического
нагрева идет по пути большего использования автоматизации, регу-
лирования электрического режима, механизации погрузочно-разгру-
110
зочных операций, автоматического контроля качества термообработ-
ки, использования нейтральных атмосфер и вакуума. Так как эконо-
мическая эффективность возрастает с увеличением емкости и мощ-
ности установок, то имеется тенденция к созданию сверхмощных агре-
гатов. Так, разрабатываются печи для плавки чугуна емкостью 60 т
и для подогрева чугуна (миксеры) на 100 т. Растет число конструк-
ций печей и установок непрерывного и полунепрерывного действия.
3.3.	ИНДУКЦИОННЫЕ КАНАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
Принцип действия индукционной канальной электро-
печи. Работа индукционной канальной печи основана на
использовании явления электромагнитной индукции. По
устройству канальная печь напоминает конструкцию си-
лового трансформатора: она имеет стальной расслоен-
ный магнитопровод М, первичную обмотку — индуктор
101 и вторичную обмотку в виде замкнутого канала, за-
полненного жидким металлом, и>2 (рис. 3.5). На рис.
3.5, а изображена принципиальная схема однофазной
канальной печи. Для уменьшения потока рассеяния Фв
целесообразно на одном стержне располагать н первич-
ную, и вторичную обмотки (канал), как показано на рис.
3.5, б, в. Магнитопроводы могут быть выполнены как
стержневыми, так и броневыми. Кольцевой канал вы-
кладывается в огнеупорной футеровке так, чтобы он ох-
ватывал магнитопровод с первичной обмоткой.
В магнитопроводе наводится переменный магнитный
поток Фь Этот переменный поток по закону электромаг-
нитной индукции наводит во вторичной обмотке пере-
менную ЭДС U2- Ее действующее значение, В, равно:
U2 = 4,44<D1W)2f,	(3.16)
Рис. 3.5. Схемы однофазных индукционных канальных печей с от-
крытым горизонтальным каналом.
а — принципиальная схема печи с сердечником; б — схема печи со стержне-
ным магнито проводом; в — схема печи с броневым магнито проводом.
111
где Ф1 — магнитный поток, создаваемый индуктором,
Вб; f — частота тока, Гц; о>2— число витков вторичной
обмотки (обычно ®2=1)«
Так как канал с расплавленным металлом представ-
ляет собой короткозамкнутый виток, в нем возникает ток
/2. При прохождении тока по металлу выделяется тепло-
вая энергия, Дж, которая и разогревает металл:
QO = W’	(3.17)
где R2 — активное электрическое сопротивление металл»
в канале, Ом; t — время прохождения тока, с; h — ток
в канале печи, А.
Индукционная канальная печь отличается от транс-
форматора следующими характерными чертами:
1)	совмещением вторичной обмотки с нагрузкой;
2)	наличием во вторичной обмотке только одного вит-
ка (канала);
3)	высотой канала, небольшой по сравнению с высо-
той индуктора;
4)	влиянием поверхностного эффекта, так как глуби-
на проникновения тока соизмерима с толщиной канала;
5)	низким коэффициентом мощности печи cos<pn из-
за наличия большого потока рассеяния Ф4, вызванного
необходимостью футеровки печи.
Практически Фв составляет приблизительно 20—25%
Фь поэтому
где k-19=wjw2 — коэффициент трансформации; для пе-
чи АТр=а>1.
На рис. 3.6 представлены схема замещения и вектор-
ная диаграмма индукционной канальной печи. Векторная
диаграмма подобна векторной диаграмме, трансформато-
ра, находящегося в режиме короткого замыкания, когда
вторичная обмотка является нагрузкой.
Реактивная мощность канальной печи в несколько
раз больше ее активной мощности из-за большого зазора
между индуктором и каналом печи. Естественный коэф-
фициент мощности канальной печи составляет 0,3^0,7.
Значение cos<pn тем меньше, чем больше рассеяние маг-
нитного потока и чем меньше активное сопротивление
металла в канале печи. Меньшее значение cos<pn отно-
сится к плавильным печам для плавки металлов с ма-
112
Рис. 3.6. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) индук-
ционной канальной пени.
лым удельным электрическим сопротивлением (меди,
алюминия), а большее — с большим сопротивлением.
Для улучшения cosq>B параллельно индуктору печи
присоединяют конденсаторную батарею, реактивная
мощность которой должна быть равна реактивной мощ-
ности печн. Компенсация естественного коэффициента
мощности печи необходима для того, чтобы не нагру-
жать сеть (или понижающий силовой трансформатор)
реактивным током, значения которого в несколько раз
превосходят активный ток.
Главными достоинствами канальных печей перед
другими печами, предназначенными для этих же целей,
являются:
1)	высокий КПД т]э- В результате этого в канальных
печах плавка металлов происходит с низким расходом
электроэнергии. Например, на плавку латуни в каналь-
ной печи затрачивается 300—350 кВт-ч/т, а в печах со-
противления 400—450 кВт-ч/т;
2)	малый угар металла, так как здесь нет большого
перегрева металла на поверхности ванны печи и силь-
ного окисления металла;
3)	наличие электродинамического перемешивания ме-
талла в каналах печи, что позволяет получать однород-
ный по химическому составу металл без применения ка-
ких-либо механических перемешивателей.
Но при выборе типа печи необходимо считаться и с
недостатками канальных печей, главные из которых:
1)	необходимость непрерывного, круглосуточного ре-
жима работы. Иногда печь оставляют во включенном
8—859
113
состоянии для поддержания температуры расплавленно-
го металла в несливаемом остатке в ванне и канале печи
во избежание «замораживания» печи;
2)	необходимость выплавки металлов и сплавов с од-
нородным составом. В противном случае пришлось бы
производить промывные плавки, что связано с излишней
затратой электроэнергии и времени;
3)	малая стойкость огнеупорной футеровки каналь-
ной части для плавки высокотемпературных металлов и
сплавов, так как температура металла в канале печи мо-
жет превышать температуру в ванне печи на 50—200° С.
Работа индукционной канальной печи имеет ряд особенностей,
не присущих печам других видов. При нагреве металла индуциро-
ванным током возникает интенсивное перемешивание металла в ре-
зультате действия электродинамических сил, связанных со взаимо-
действием тока в жидком металле и тока в индукторе. На движение
металла также влияют механические силы, возникающие от металло-
статического- давления и теплового эффекта. Усилия, вызывающие
интенсивное перемешивание, практически отличить друг от друга
трудно, но по причинам их появления можно выделить следующие
эффекты.
Моторный (центробежный) эффект заключается в отталкивании
жидкого металла от внутренней поверхности канала к наружной и
появлении в результате этого поверхности зеркала расплавленного
металла под некоторым углом к горизонту. Этот эффект имеет место
в печах с открытым горизонтальным каналом. Как видно из рис. 3.5,
наклон возникает от суммарного воздействия силы тяжести 6 и
электродинамической силы отталкивания Р8Д. Так как металл в ка-
нале находится в жидком состоянии, его поверхность перпендикуляр-
на результирующей силе Ррез. Моторный эффект в печах с закрытым
каналом способствует циркуляции металла в плоскости поперечной
оси канала, что увеличивает перемешивание металла.
Сжимающий эффект создает усилия, действующие па жидкий ме-
талл, от взаимодействия тока в канале с магнитным потоком, созда-
ваемым этим же током. Эти усилия пропорциональны (ZiWi)2, по-
этому при сильных магнитных полях усилия сжатия бывают велики
и могут вызвать отжатие металла от внутренней н наружной стенок
канала, что, в свою очередь, может уменьшить сечение металла в ка-
нале печи и даже привести ,к прекращению протекания тока. Прекра-
щение протекания тока в канале печи снимает усилия сжатия, ме-
талл вновь заполняет канал по всему сечению, и ток восстанавлива-
ется. Сжимающий эффект ограничивает удельную мощность печи.
Усилиям сжатия могут противостоять металлостатические давления
в ванне печи, например в печах с закрытым вертикальным' каналом
(рис. 3.7).	*
Вихревой эффект наблюдается в индукционных печах с закры-
тым каналом переменного сечения. Под действием вихревого эффек^
та создается циркуляция металла вдоль оси канала из-за различной
плотности тока в канале. В печах с открытым замкнутым каналом
вихревой эффект не наблюдается.
Тепловой (или термический) эффект обусловлен разностью тем-
пературы металла в ванне и канале печи и, следовательно, разностью
114
Рис. 3.7. Индукционная канальная печь с вертикальным каналом.
а — конструкция; б —схема электродинамического и теплового перемешивания
металла (толстые стрелки) и направлений электродинамических сил (тон-
кие стрелки); 1 — металл; 2 — футеровка канала 3; 4 — индуктор; 5 — магнито-
провод.
его плотностей. Поэтому в печах с вертикальным каналом (рис. 3.7, б)
менее нагретый металл в ванне печи опускается в нижнюю часть ка-
нала, а металл, перегретый в канале и имеющий меньшую плотность*
чем металл в ванне печи, поднимается в ванну печи. В печах с за-
крытым горизонтальным каналом’ для увеличения перемешивания
металла под воздействием теплового эффекта устья канала распо-
лагают на разной высоте, т. е. ось канала направлена как бы по вин-
товой линии или наклонно к горизонту под небольшим углом, как,
например, в печах для плавки цинка и подогрева чугуна.
Печи с открытым горизонтальным каналом в силу
своих недостатков (малая удельная мощность, выделяе-
мая в металле, низкий cos<pn, наклон поверхности
металла) были вытеснены печами с вертикальным за-
крытым каналом и печами с наклонными каналами
(рис. 3.8).
Конструкции основных элементов канальных печей.
Индукционные канальные печи имеют следующие основ-
ные узлы: кожух, футеровка ванны печи, индукционные
единицы (магнитопровод, индуктор, канал), токоподво-
ды, механизм наклона печи или механизм слива метал-
ла из печи, система охлаждения.
Рассмотрим конструкции отдельных узлов печи.
Кожух. В зависимости от назначения печи кожух бы-
вает различной формы: цилиндрической (с горизонталь-
ной или вертикальной осью), прямоугольной и оваль-
ной — в зависимости от емкости металла, мощности, ко-
8*
115
Рис. 3.8. Двухфазная индукционная канальная печь шахтного типа
с наклонными каналами для плавки чугуна.
1 — ванна; 2— индукционная единица; 3 — вентилятор; 4 — ось наклона пе-
ни; 5 — сливной носок; 6 — рабочая площадка.
116
личества индукционных единиц, технологических особен-
ностей выплавки металла или сплава.
Кожух обычно делится на две составные части: ко-
жух ванны и кожух канальной части. Ванна предназна-
чена для размещения основной массы металла, а также
несливаемого остатка металла («болота»), а канальная
часть — для размещения футерованного канала с рас-
плавленным металлом, окружающим сердечник магни-
топровода с индуктором. Кожух изготавливается из лис-
товой стали толщиной 6—10 мм. Для увеличения меха-
нической прочности он имеет продольные и поперечные
ребра жесткости. В кожухе ванны предусматривают бо-
ковые или торцевые дверцы для обслуживания печи во
время плавки металла, а также верхние крышки для за-
грузки шихты. Массивные дверцы и крышки снабжаются
механизмами поворота и раздвигания створок. Кожухи
печей непрерывного действия (например, печи для плав-
ки цинка) устанавливаются неподвижно на фундаменте
или имеют механизмы поворота печи для слива металла
при работе печи в периодическом режиме. Сливной но-
сок располагается либо в торце печи, либо вблизи оси
наклона печи. Цапфы укрепляются в поперечном поясе
жесткости и сочленяются с механизмами, осуществляю-
щими поворот печи на угол 90—100°. Подшипниковые
стойки прочно закрепляются в фундаменте печи. В ко-
жухе предусматриваются проемы для присоединения ин-
дукционных канальных единиц, а также рабочая пло-
щадка, под которой обычно располагают крепление то-
коподводов и вентиляторов для продувки полости ин-
дуктора (рис. 3.8).
Футеровка ванны печи выкладывается из огнеупор-
ных кирпичей (магнезита, шамота) или набивается из
специально приготовленного порошка соответствующего
химического и гранулентного состава. Состав футеро-
вочной массы выбирают в зависимости от расплавляемо-
го металла или сплава, предназначенного для плавки в
печи. Футеровочные массы бывают кислые, основные или
нейтральные.
Индукционные единицы. В последнее время почти все
конструкции индукционных канальных печей выполня-
ются с отъемными индукционными единицами, присое-
диняемыми к кожуху ванны печи с помощью болтов и
шпилек. Индукционная единица представляет собой
электропечной трансформатор с футерованным каналом
117
для размещения расплавленного металла. Отъемная ин-
дукционная единица состоит из следующих элементов,
кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.
Кожух индукционной отъемной единицы выполняет-
ся из двух или трех отдельных частей, соединенных меж-
ду собой через неэлектропроводные прокладки и болто-
вые соединения с изоляционными втулками. Это делает-
ся для того, чтобы в кожухе индукционной единицы не
наводились вихревые токи от магнитного поля, образован-
ного индуктором. Кожух может быть выполнен из чугу-
на, немагнитной стали, бронзы или алюминиевых спла-
вов, литым или сварным. Фланец кожуха крепится к
фланцу приема ванны снизу или с боковых сторон таким
образом, чтобы обеспечить возможность легкого доступа
для монтажа и демонтажа магнитопровода и индуктора,
а также системы вентиляции, водоохлаждения и токо-
подводов.
Футеровка канальной части выполняется из набивных
масс различного состава в зависимости от выплавляе-
мого металла или сплава Составные части набивки
размельчаются до фракций 0,5—1,0 мм (50—70%) и
1,0—2,0 мм (остальное).
Канал изготавливается с помощью специальных шаб-
лонов. Они могут быть деревянными, стальными из сва-
ренных листов или изготовленными из расплавляемого
металла. Способы извлечения шаблона из футеровки
различны. Чаще всего шаблон расплавляется при сушке
и первой плавке печи. Деревянные шаблоны выжигают-
ся с помощью Заложенных в них нихромовых нагревате-
лей.
Каналы могут быть выполнены в виде кольца, в виде
прямоугольных участков и полукольца или состоять
только из прямоугольных участков, как в печах для
плавки алюминия (для облегчения чистки каналов при
их «зарастании»). Сечения каналов могут быть круглой,
прямоугольной или овальной формы. Устья каналов
обычно делаются несколько большего сечения, чем сече-
ния самих каналов.
В качестве теплоизоляционного слоя между кожухом
индукционной единицы и набивной футеровочной массой
используется асбестовый картон.
Магнитопровод выполняется из листов трансформа-
торной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм марок 1511, 1512 и
3411 (холоднокатаная сталь)! Для междулистовой изо-
118
ляции применяется лак или производится фосфатирова-
ние. Магнитопровод делается разборной конструкции
для удобства установки и демонтажа первичной катуш-
ки-индуктора. Во избежание искрения между листами
сердечника и ярма ставятся прокладки из электроизоля-
ционного картона или миканита. Ярмо крепится на сер-
дечнике с помощью болтов и скоб. В целом магнитопро-
вод крепится в кожухе индукционной единицы также с
помощью болтов, пропущенных через отверстия специаль-
но предусмотренных полочек.
Индукционные единицы выполняются как однофаз-
ными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или
двумя каналами на один индуктор.
Обычно магнитопровод шихтуется из листов прямо-
угольной формы. Листы стягиваются шпильками, вдеты-
ми в изолирующие втулки из текстолита или бакелита.
Стяжные болты и шпильки изготовляются из немагнит-
ной стали или бронзы. Для увеличения жесткости паке-
та наружные листы выполняются из немагнитной стали
толщиной 5—10 мм. Поперечное сечение ярма и сердеч-
ника делаются прямоугольным или квадратным, и толь-
ко в случае больших индукций сечение сердечника вы-
полняется крестообразным или многоступенчатым. На
рис. 3.9, а, б приведены однофазная и двухфазная конст-
рукции отъемных индукционных единиц для плавки чу-
гуна.
Индуктор. Для изготовления индуктора применяют
либо обмоточные провода прямоугольного сечения (как
Рис 39 Конструкции индукционных единиц печей для плавки чу-
пна
а - мощностью 560 кВт, б — мощностью 1000 кВт, / — футеровка, 2 —водо-
охлаждаемый кессон, 3 — магнитопровод, 4 — индуктор, 5 — шаблон канала.
119
для силовых трансформаторов), либо медные равностен-
ные трубки для обеспечения водяного охлаждения круг-
лого или прямоугольного сечения, либо же трубки спе-
циального профиля с утолщенной стороной, обращенной
к каналу с металлом. Для индукционных единиц мощно-
стью 100—250 кВт достаточным является воздушное
охлаждение, а для более мощных индукционных единиц
применяется водяное охлаждение. Допустимая плотность
тока при воздушном охлаждении 2,5—4,0 А/мм2, при во-
дяном 10—15 А/мм2. Обычно индукторы имеют однослой-
ную обмотку, и только для печей, предназначенных для
плавки алюминия, применяют иногда обмотку, состоя-
щую из двух слоев.
Изоляция витков индуктора осуществляется хлопча-
тобумажной лентой (либо стеклолентой) с обмоткой в
два слоя, пропиткой и запеканием. В качестве изоляции
применяются и прокладки из теплостойкого изолирую-
щего материала. Форма поперечного сечения намотки
витков индуктора, как правило, — окружность, но может
быть квадратной и прямоугольной формы (печи для
плавки алюминия). Витки индуктора наматываются на
изолирующий цилиндр из листового асбеста, гетинакса,
текстолита или бакелитизированной бумаги. Индуктор
закрепляется на сердечнике с помощью деревянных
клиньев и металлических скоб. Для мощных индукцион-
ных единиц применяют асбестоцементные цилиндры.
Между индуктором и футеровкой канала предусмат-
ривается воздушный зазор в 20—30 мм для охлаждения
магнитопровода, индуктора и полости футеровки канала
воздухом, поступающим от вентилятора. Если на печи
установлено несколько индукционных единиц, то система
воздухоохлаждения делается общей с подачей воздуха
на каждую индукционную единицу. Выводы индуктора
выполняются из той же трубки или шины, из которых
выполнен сам индуктор, и пропускаются в зазоре между
индуктором и огнеупорной футеровкой канала или через
деревянные клинья, расположенные между индуктором
и сердечником.
Токоподводы выполняют из труб, шин или в виде
медных гибких водоохлаждаемых кабелей из скручен-
ных проволочек, помещенных в резинотканевый рукав.
Во избежание опасного прикосновения токоподводы
должны быть надежно ограждены. Для уменьшения по-
терь в токоподводе конденсаторную компенсирующую
120
батарею устанавливают поблизости от печи (рядом с
печью или под рабочей площадкой).
Механизмы для наклона печи и загрузки шихты. Для
наклона печей периодического действия при сливе ме-
талла применяют механизмы наклона. Печи малого объ-
ема и небольшой мощности обслуживаются тельферами
с системой блоков или лебедками с ручным приводом.
Печи с большим объемом металла имеют механизмы с
гидравлическим или электромеханическим приводом.
Ось поворота располагают или на линии, проходящей че-
рез центр тяжести, или у сливного носка; последнее
более удобно, так как перемещение струи сливаемого ме-
талла при этом меньше и в процессе разлива металла не
надо передвигать разливочный ковш. В настоящее время
все большее распространение получают печи с гидрав-
лическим приводом. Угол наклона составляет 60—100°
(см. рис. 3.8); при достижении максимального угла на-
клона автоматически происходит отключение механизма
наклона или поворота печи с включением предупрежда-
ющей сигнализации.
В электропечах непрерывного действия слив металла
производится непрерывно путем вытягивания слитка
(миксеры для непрерывной разливки) или вычерпывания
металла (печи для плавки цинка), а также отсосом. Для
этой цели предусматривается устройство механической
загрузки шихты и автоматической откачки металла с
помощью специальных черпаков или отсасывающих ме-
ханизмов. Для открывания и закрывания крышек приме-
няют механизмы с электромеханическим или гидравличе-
ским приводом.
Особенности канальных печей для плавки различных
металлов и сплавов. В СССР маркировка канальных пе-
чей производится с указанием принципа действия печи,
назначения (расплавляемый металл), типа печи (ка-
нальная) и массы полезной загрузки печи в тоннах. На-
пример: ИАК-16—индукционная, для плавки алюминия,
канальная электропечь емкостью 16 т; ИЧКМ-40— ин-
дукционная, для подогрева чугуна, канальная емкостью
40 т (буква М обозначает «миксер»). Объем ванны дол-
жен соответствовать стандартному ряду емкостей: 0,4;
1,0; 2,5; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160 т.
Печи, для плавки, цинка. Преимущество индукцион-
ных печей для цинка перед пламенными печами заклю-
чается в повышении выхода годных слитков (до 98% по
121
сравнению с 90—94% в пламенных печах). Индукцион-
ные печи применяют главным образом для переплава
катодного цинка.
Пары цинка ядовиты, поэтому в печах предусматри-
вается вытяжная вентиляция. Так как цинк активно
вступает в химические реакции с футеровкой печи, то
для обеспечения наибольших сроков службы футеровка
ванны и индукционных канальных единиц делается из
особого состава.
Печи для плавки цинка являются в основном печами
непрерывного действия. Печи устанавливают на железо-
бетонных основаниях таким образом, чтобы обеспечить
возможность некоторого смещения рамы каркаса печи
для разогрева футеровки. Длительная остановка печи
производится только для текущего и капитального ре-
монтов футеровки, а кратковременная — при смене ин-
дукционных единиц. Стационарные типовые печи для
ципка применяются с прямоугольной формой ванны ем-
костью 25 и 40 т (ИЦК-25 и ИЦК-40) с горизонтальны-
ми каналами и шестью однофазными трансформаторами,
установленными с трех сторон. На четвертой стороне
размещается окно для разлива металла. Под окном на
уровне дна делается леточпое отверстие для слива всего
расплавленного металла в случае необходимости ремон-
та ванны печи. На одной из сторон имеется окно для
скачивания шлака.
Печи имеют две камеры, разделенные перегородкой,
которая предотвращает попадание нерасплавленных
частиц в разгрузочную камеру печи. Разгрузка произво-
дится черпаками или с помощью откачивающего насоса.
Так как разливку цинка ведут при температуре 480—
500° С, детали откачного механизма делают из низколеги-
рованной стали или чугуна. Печь с емкостью ванны 40 т
имеет два параллельных канала на каждый индуктор.
Индукторы соединяются в треугольник или звезду с
питанием от трехфазной сети 220/380 В.
Печь емкостью 100 т (ИЦК-100) в отличие от указан-
ных конструкций имеет'цилиндрическую горизонтально
расположенную ванну, опирающуюся на четыре опорных
катка. Она снабжена электромеханическим приводом
поворота ванны для периодического слива металла и ос-
вобождения индукционных канальных единиц от металла
в каналах при необходимости их замены. Индукционные
единицы — сдвоенные, крепятся с двух сторон боковой
122
юверхности цилиндрической ванны по три с млдип
стороны. Смена единиц происходит без остановки печи,
г. е. металл из ванны полностью не выливается.
Печи для плавки алюминия. Преимуществами индук-
ционных канальных печей для плавки алюминия и спла-
зов на его основе являются малое окисление металла и
:равнительно небольшой расход электроэнергии на рас-
тлавление. Угар металла составляет не более 1%, тогда
хак в печах сопротивления он равен 1,5%, а в пламен-
ных печах — до 4%. Расход энергии в индукционных пе-
iax составляет 530—560 кВт-ч/т и 580—620 кВт-ч/т —
з печах сопротивления. Недостаток индукционных ка-
нальных печей заключается в необходимости чистки ка-
налов от осколков окисной пленки, попадающих в кана-
лы и засоряющих их. Температура плавления окиси алю-
миния равна 2050° С, поэтому осколки окисной пленки,
образующейся на поверхности ванны при раздроблении
пленки, вызывают засорение и зарастание каналов при
опускании их на дно печи (вследствие большей удельной
плотности окиси алюминия по сравнению с плотностью
чистого расплавленного алюминия).
Для облегчения чистки каналы в печах для плавки
алюминия делают из прямолинейных участков, которые
легко можно чистить при открывании крышки ванны
печи или через специально предусмотренные в футеров-
ке стенок печи отверстия, закрываемые пробка-
ми во время плавки металла. Показателем зарастания
каналов является сниженная мощность по сравнению с
первоначальным режимом. Температура плавления алю-
миния равна 658° С, температура перегрева перед раз-
ливкой 700—750° С. Перегрев свыше 750° С нежелате-
лен, так как при этом сильно повышается окисляемость
металла.
Вследствие малого удельного электрического сопро-
тивления алюминия коэффициент мощности печей со-
ставляет 0,2—0,4. Для увеличения коэффициента мощ-
ности до единицы применяют компенсирующие конден-
саторные батареи. Иногда для увеличения производи-
тельности печи и повышения cos фп индукционные едини-
цы изготавливают с двумя параллельными каналами на
один индуктор.
Печи по конструкции выполняются с вертикальными
закрытыми каналами, закрытыми горизонтальными ка-
налами и наклонными каналами и съемными индукцион-
123
ными единицами, имеющими два разъема: один — для
присоединения к фланцу цилиндрической ванны, дру-
гой— для замены нижней части канальной единицы при
зарастании нижнего участка канала. К последним двум
видам относятся печи типа ИАК-6 и ИАК-16 с четырьмя
горизонтальными каналами и двумя ваннами и
ИАК-16 М2 поворотной конструкции с отъемными сдво-
енными индукционными единицами барабанного
типа.
Печи для плавки сплавов на основе меди. Канальные
индукционные печи для плавки и подогрева меди и спла-
вов на медной основе (латуни, бронзы, томпака, мель-
хиора и т. п.) изготавливаются как периодического, так
и непрерывного действия (миксеры). Корпус печи кон-
струируется прямоугольной или цилиндрической формы.
В последнее время применяют печи барабанного типа со
сменными индукционными единицами. На рис. 3.10 при-
ведена конструкция печи ИЛ К-16, имеющей цилиндри-
ческую ванну и шесть индукционных отъемных единиц.
Футеровка выполняется из шамотной набивной массы.
Теплоизоляцией служит диатомитовый кирпич. При
плавке латуней и бронз температура разлива составляет
1100—1200° С. Большой перегрев металла свыше указан-
ного значения может вызвать так называемую пинковую
пульсацию, которая возникает при парообразовании цин-
ка, входящего в состав расплава (цинк кипит при 916° С,
тогда как температура плавления меди 1083° С). Цинко-
вая пульсация выражается в кратковременном прекра-
щении тока в каналах печи и затем его восстановлении,
так как парообразование при исчезновении тока прекра-
щается. Это приводит к характерному качанию стрелок
измерительных приборов.
При плавке меди температура разлива составляет
1200—1250° С, а температура в каналах печи достигает
1300—1350° С. Поэтому футеровка канальной части
должна быть достаточно огнеупорной и тщательно под-
готовленной к плавке. Срок службы достигает 3000—
3500 плавок; индукционные единицы работают в тече-
ние 8—10 месяцев.	‘
Агрегат ИЛКА-16 для плавки меди состоит из пла-
вильной канальной печи емкостью 16 т и канального
миксера емкостью 6 т для подогрева металла. Металл в
миксере доводится до нужного химического состава и
нагревается до температуры разливки. Затем металл по-
124
Б-5	~33Q0
120-
Рис. 3.10. Индукционная канальная печь барабанного типа для плав-
ки сплавов на основе меди (16 т).
/ — кожух; 2 — футеровка; 3 —опорная рама; 4 — токоподвод; 5 — индукци-
онная единица.
125
ступает в разливочную машину для получения вайер-
барсов. Печь имеет шесть сменных индукционных еди-
ниц, а миксер — одну. Мощность каждой единицы
400 кВ-А, охлаждение индукторов — водяное, охлажде-
ние футеровки канальной части — воздушное. Механиз-
мы поворота — электромеханические. Электропечь и
миксер опираются на катки, вращающиеся в подшипни-
ковых стойках. Для фиксации положения печей установ-
лены конечные выключатели, выключающие механизм
поворота при достижении максимальных углов для слива
металла и смены индукционных единиц. Для смены ин-
дукционных единиц печь поворачивается так, чтобы весь
металл из каналов сменяемых единиц был перелит в ван-
ну печи.
Канальные электропечи для плавки и подогрева чугу-
на. Индукционные канальные печи применяются в литей-
ных цехах заводов для получения ковкого чугуна дуп-
лекс-процессом при совместной работе с вагранкой, ду-
говой печью или индукционной тигельной печью. В этом
случае канальная печь является миксером (или копиль-
ником) , куда переливается жидкий металл из плавильной
печи. В канальном миксере металл подогревается от
1200—1250 до 1400—1450° С, легируется присадками до
нужного химического состава и рафинируется, затем ме-
талл поступает в разливочный ковш или разливочную ма-
шину непрерывного литья для получения слитков или фа-
сонных отливок. По сравнению с дуговыми и индукцион-
ными тигельными печами канальные печи и миксеры де-
шевле по капитальным вложениям и, кроме того, имеют
меньший расход электроэнергии па выплавку и подогрев
чугуна: 400—450 кВт-ч/т и 45—50 кВт-ч/т соответствен-
но, тогда как в дуговых печах расход электроэнергии со-
ставляет 500—530 кВт-ч/т, в индукционных тигельных
550—600 кВт-ч/т. Чугун из канальных печей получается
высокого качества, хорошо раскисленным, с мелкозер-
нистой структурой.
Недостаток канальных печей для плавки и подогрева
чугуна заключается в необходимости изготовления фу-
теровки канальной ча’сти на рабочую температуру
1500—1550° С, так как температура в каналах превышает
температуру в ванне печи на 100—150° С. В печах с на-
правленной циркуляцией металла в каналах этот перепад
значительно меньше (20—30°С). Такие печи верти-
кальной конструкции в настоящее время находятся на
12$
7475
Рис. 3.11. Индукционная канальная печь барабанного типа для подогрева чугуна серии ИЧКМ.
/ — ванна печи; 2 —футеровка; крышка; 4 — индукционная единица; 5 — механизм поворота.
5315
стадии изготовления. Они предназначены для выплавки
чугуна и имеют емкость 25—60 т.
Конструкции печей поворотного типа аналогичны кон-
струкциям печей для плавки меди, показанной на рис.
3.10. Отличие заключается в ином устройстве загрузки
жидкого металла, который поступает в канальный мик-
сер путем переливки из ковша или через желоб, соединя-
ющий плавильную печь с миксером. Разлив металла осу-
ществляют через сливной носок коленчатой формы, поз-
воляющий выливать металл, находящийся на нижних
уровнях ванны миксера. Загрузка новых порций шихты
или жидкого металла из плавильных печей (вагранки
и др.) производится через отверстие в крышке или сбоку
печи. Индукторы и магнитопроводы охлаждаются с по-
мощью вентиляторов и водяной системы. Под печью
предусматривается металлосборная яма на случай про-
рыва металла из печи.
Жидкий металл заливают в миксер и выливают из
него сифонным способом. Такой способ разливки препят-
ствует проникновению шлака в разливочный ковш.
На рис. 3.11 приведена конструкция печи барабанно-
го типа серии ИЧКМ.
3.4.	ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ, СХЕМЫ ПИТАНИЯ
И УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
ч
Индукционные канальные печи в настоящее время вы-
полняются со сменными индукционными единицами мощ-
ностью от 200 до 1000 кВ «А. Индукционные единицы
мощностью до 300 кВ-А можно питать от индивидуаль-
ных однофазных электропечных автотрансформаторов,
подключаемых к заводской подстанции на напряжение
380 В с ручной или автоматической регулировкой вто-
ричного напряжения от 0 до 500 В (автотрансформаторы
АПО-180/500 и АПО-360/500 мощностью 180 и 360 кВ-А
соответственно) в зависимости от требуемой производи-
тельности печи. Регулирование может быть осуществлено
для поддержания температуры и параметров электриче-
ского режима на определенном уровне.
Индукционные единицы мощностью свыше 300 кВ*А
питаются от высоковольтных электропечных трансформа-
торов с регулированием вторичного напряжения под на-
грузкой путем переключения витков вторичной или пер-
вичной обмотки без выключения печи. Мощность таких
128
трансформаторов лежит в пределах от 400 до 1600 кВ* А.
Первичная обмотка трансформаторов подключается к
сети высокого напряжения (6 или 10 кВ). Основные тех-
нические параметры таких трансформаторов приведены в
1(ля подключения электропечных трансформаторов к
высоковольтным сетям служат комплектные распредели-
тельные устройства (КРУ), которые собираются из стан-
дартных шкафов с масляными выключателями, разъеди-
нителями, трансформаторами тока и напряжения, изме-
рительными приборами, а также аппаратурой защиты и
сигнализации. Мощные трансформаторы должны быть
установлены в специальных камерах, имеющих входные
двери или ворота, с жалюзи для прохода охлаждающего
воздуха, фильтрами для его очистки и маслосборной
ямой, расположенной под трансформатором. Привод
включения разъединителей и масляных выключателей
может быть как ручным, так и электромеханическим с
дистанционным управлением. Токоподводы к трансфор-
маторам выполняются кабелем обычных марок с прок-
ладкой в траншеях или по стенам специального кабель-
ного канала. Обычно делают пристройку к цеху на
несколько ячеек, где устанавливают трансформаторы в
зависимости от количества индукционных единиц или
печей.
Подключение электропечных трансформаторов к сети
6/10 кВ производится при помощи разъединителей и мас-
ляных выключателей. При использовании нескольких
трансформаторов включение их производится таким об-
разом, чтобы обеспечить симметричную загрузку всех
трех фаз высоковольтного фидера. Число однофазных
трансформаторов, подключенных одновременно к сети,
должно быть кратным трем.
На первичной стороне (стороне ВН) устанавливается
следующая аппаратура сигнализации и защиты: 1) га-
зовое реле для защиты трансформатора от внутренних
повреждений; 2) электроконтактный термометр для кон-
троля температуры масла трансформатора; 3) аппарату-
ра сигнализации—лампочки, сирена (звонок, гудок);
4) реле максимального тока для защиты от перегрузок и
коротких замыканий; 5) измерительные приборы для
контроля электрического режима и учета электроэнергии
(ваттметры, вольтметр, амперметр, счетчики активной и
реактивной энергии); 6) сигнализаторы положения пе-
9-859	129.
реключателя ступеней напряжения — сельсин-датчик и
сигнальные лампочки (расположены в специальном шка-
фу управления).
Индукционная единица подключается ко вторичной
стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с
помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройст-
ва. Иногда включаются два контактора с параллельно
работающими силовыми контактами в главной цепи.
Для компенсации реактивной мощности печи служат
конденсаторы, подключаемые параллельно индуктору.
Часть из них включена постоянно, а другая (обычно У2—
Уз общей емкости) включается через магнитные пуска-
тели или перекидные рубильники. Дополнительная ем-
кость необходима в случае перехода на плавку другого
состава расплава или при изменении сечения каналов в
процессе эксплуатации печи (при зарастании каналов).
На рис. 3.12 приведена схема питания однофазной
индукционной единицы. Реле максимального тока РМ1
и РМ2 служат для контроля и отключения печи при пе-
регрузках и коротких замыканиях.
Трехфазные трансформаторы используются для пи-
тания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо
общий трехфазный магнитопровод, либо два или три от-
дельных магнитопровода стержневого типа.
Для питания печи в период рафинирования металла
и для поддержания режима холостого хода служат авто-
трансформаторы для более точного регулирования мощ-
Рис. 3.12. Принципиальная схема питания индукционной единицы
канальной печи.
ВМ — выключатель мощности; КЛ — контактор; Тр — трансформатор; С к —
конденсаторная батарея; Л — индуктор; ТН1, ТН2 — трансформаторы напря-
жения; ГТ/, ТТ2 — трансформаторы тока; Р — разъединитель; ПР — предохра-
нители; РМ1, РМ2 — реле максимального тока.
130
ности в период доводки металла до нужного химического
состава (при спокойном, без бурления, режиме расплав-
ления), а также для начальных пусков печи при первых
плавках, которые проводятся при малом объеме метал-
ла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спека-
ния футеровки. Мощность автотрансформатора выбира-
ют в пределах 25—30% мощности основного трансфор-
матора.
Для контроля температуры воды и воздуха, охлаж-
дающих индуктор и кожух индукционной единицы, уста-
навливают электроконтактные термометры, выдающие
сигнал при превышении температуры свыше допустимой.
Питание печи автоматически отключается при повороте
печи для слива металла. Для контроля положения печи
служат конечные выключатели, сблокированные с приво-
дом электропечи. У печей и миксеров непрерывного дей-
ствия при сливе металла и загрузке новых порций шихты
отключение индукционных единиц не производится.
Для обеспечения падежного питания при эксплуата-
ции и в аварийных случаях приводные двигатели меха-
низмов наклона печи, вентилятора, привод загрузочно-
разгрузочных устройств и системы управления питаются
от отдельного трансформатора собственных нужд.
В [18, 20] приведены основные примеры индукцион-
ных канальных печей, выпускаемых отечественной про-
мышленностью для плавки сплавов на основе алюминия,
меди, меди и цинка, а также миксеров для подогрева чу-
гуна.
3.5.	ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ КАНАЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
К работе на плавильных канальных печах и разливочных устрой-
ствах допускаются лица, хорошо обученные и прошедшие специаль-
ный инструктаж. Рабочие должны иметь спецодежду и предохраня-
ющие приспособления (очки, рукавицы, шуровки, соответствующий
инструмент и материалы). Перед началом эксплуатации печи на про-
мышленный выпуск металла она тщательно проверяется и подготав-
ливается к работе: проверяются качество футеровки (осмотр и заме-
ры основных параметров — толщины, глубины), работа схемы водо-
и воздухоохлаждения, работа всех механизмов, систем управления,
питания, защиты и сигнализации.
Перед заливкой металла следует тщательно продуть каналы
сжатым воздухом, чтобы предотвратить образование в них пробки или
сужения. При запуске вновь футерованной и просушенной печи нель-
зя допускать, чтобы металл одновременно шел в обе стороны кана-
9*
131
лов, так как это может привести к образованию воздушной пробки,
размыкающей металлическое кольцо из жидкого металла.
Не допускается загрузка большого количества шихты, которая
может вызвать резкое охлаждение металла в верхней части каналов.
Шихту опускают осторожно во избежание повреждений футеровки
печи. Догрузка производится несколько раз в течение плавки. Нельзя
допускать чрезмерного перегрева металла в канале: это может при-
вести к размягчению футеровки и ее повреждению. Ни в коем слу-
чае нельзя загружать влажные шихту и добавки, так как это может
вызвать взрыв и привести к несчастному случаю и повреждению печи.
При эксплуатации канальных печей и миксеров необходимо вы-
полнять все инструкции согласно правилам и нормам эксплуатации
электротехнических установок и требованиям техники безопасности
[24]. От соблюдения правил эксплуатации зависят безаварийность
работы, производительность печей, расход электроэнергии, срок
службы футеровки
Отъемные индукционные единицы присоединяют на вновь футе-
рованную печь после всех монтажных работ и проверки работы си-
стем поворота печи для слива металла, системы подъема крышки и
систем водо- и воздухоохлаждения, сушки и прокалки с помощью
газовых горелок футеровки ванны и футеровки канальных единиц и
выдержки их при 600—700° С. Для установки индукционной единицы
печь поворачивают так, чтобы фланец ванны принял вертикальное
положение. Затем производят зачистку поверхности фланца и со спе-
циального стенда для прокалки индукционных единиц подносят кра-
ном заранее подготовленную индукционную единицу. В отверстия
фланцев ванны и индукционной единицы вставляют болты (в нижние
отверстия) и затем между фланцами кладут миканитовую прокладку,
обмазанную с двух сторон глиной, толщиной 5—7 мм, после чего
вставляют остальные болты и затягивают их гайками. Одновременно
присоединяют шланги водоохлаждения и электропроводку к венти-
лятору, а также гибкие кабели электропитания. Все операции по
присоединению индукционных единиц не должны занимать более
10—12 мин во избежание охлаждения футеровки.
После указанных работ производят поворот печи в рабочее по-
ложение при плавке металла, индукционную единицу подключают к
источнику питания на пониженное напряжение и производят расплав-
ление шаблона; затем заливают жидкий металл и начинают нор-
мальную эксплуатацию печи.
При замене индукционных единиц при работающей печи произ-
водят поворот печи так, чтобы каналы индукционных единиц осво-
бодились от металла, после чего отвинчивают гайки на болтах, скреп-
ляющих фланцы, отсоединяют шланги и провода электропитания и
очищают поверхность фланца ванны. Затем присоединяют вновь под-
готовленную индукционную единицу.
При разливке металла или при заливке каналов необходимо
оставлять в печи достаточное количество расплава (не менее 100 мм
слоя на подине ванны у устьев канала), чтобы при включении печи
не произошло выброса металла и разрыва канала. Разливка металла
должна проходить только в подготовленное разливочное оборудова-
ние— футерованные и просушенные ковши или желоба (для миксе-
ров). В процессе плавки необходимо тщательно следить за темпера-
турой охлаждающей воды индукторов и воздуха. Температура ох-
лаждающей воды на выходе не должна превышать 50—60° С во из-
бежание образования накипи в трубках индуктора. При обнаружении
132
неисправности печи или приводных механизмов рабочий-плавильщик
или дежурный электрик должны немедленно сообщить об этом масте-
ру и принять, согласно инструкции, надлежащие меры. Если обна-
ружено повреждение или появление жидкого металла с наружной
стороны футеровки ванны или кожуха индукционной единицы, то не-
обходимо выключить печь и без промедления сообщить об этом мас-
теру; в случае угрозы прорыва металла — вылить металл из печи в
предназначенное разливочное оборудование.
Для обеспечения безопасной работы печи строго воспрещается:
1)	касаться электропроводов без соответствующих инструментов
и мер предосторожности;
2)	загружать шихту, скачивать шлак, производить измерение
температуры и разливать металл без очков;
3)	разливать металл при включенной печи;
4)	разливать металл во влажные ковши, изложницы и прочее не-
подготовленное оборудование;
5)	допускать посторонних лиц на разливочную площадку без
соответствующей спецодежды;
6)	допускать захламленность проходов и площадок ненужными
вещами и предметами.
Персонал, работающий на печах, должен быть обучен методам
оказания первой медицинской помощи пострадавшим, знать местона-
хождение санитарной аптечки, уметь сообщить о несчастных случа-
ях администрации и на медпункт, а также уметь пользоваться про-
тивопожарными средствами в случае необходимости.
3.6.	ИНДУКЦИОННЫЕ ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Индукционные тигельные печи по частоте источника
питания подразделяются на три вида:
1.	Печи высокой частоты (50—500 кГц) с питанием
от ламповых генераторов.
2.	Печи средней (повышенной) частоты (150—
10000 Гц) с питанием от умножителей частоты, вращаю-
щихся машинных генераторов и статических преобразо-
вателей.
3.	Печи низкой (промышленной) частоты (50—60 Гц).
По конструкции печи выполняются открытыми — для
плавки металлов и сплавов в воздушной атмосфере и
герметически закрытыми — для плавки в вакууме или
в среде нейтральных газов (вакуумно-компрессионные
печи).
Индукционные тигельные печи получили распростра-
нение в основном для выплавки высококачественных ста-
лей и чугунов специальных марок, т. е. сплавов на основе
железа, так как при плавке черных металлов тигельные
печи имеют более высокий КПД, чем при плавке цвет-
ных металлов. Несмотря на это, индукционные тигель-
ные печи в настоящее время получают все большее раз-
133
витие и для выплавки цветных металлов и сплавов бла-
годаря другим преимуществам, которые оказываются ре-
шающими при выборе типа печи.
Индукционные тигельные печи обладают следующими
преимуществами:
1.	Легкое достижение высоких температур, так как
энергия выделяется непосредственно в нагреваемом ме-
талле.
2.	Отсутствие соприкосновения с топливом или элек-
тродами, что позволяет получать металл и сплавы, чис-
тые по химическому составу.
3.	Наличие интенсивного перемешивания расплавлен-
ного металла под воздействием электродинамических сил,
что способствует получению однородного химического
состава без применения механических перемешивающих
устройств.
4.	Малая окисляемость и небольшой угар компонен-
тов состава из-за наличия более холодного шлака на
поверхности зеркала расплавленного металла.
5.	Возможность проведения плавки в вакууме и ней-
тральной среде для получения сплавов высокого ка-
чества.
6.	Отсутствие перегрева футеровки печи, что повыша-
ет срок ее службы.
7.	Возможность работы в периодическом режиме, что
уменьшает простои печи на холостом ходу и дает воз-
можность смены химического состава выплавляемых
сплавов без проведения промывных плавок и без остав-
ления несливаемого остатка металла.
8.	Более простая по сравнению с канальными печами
конструкция огнеупорного тигля.
Недостатками индукционных тигельных печей явля-
ются; относительно низкая температура шлаков; вспу-
чивание поверхности расплавленного металла (мениск)
из-за больших электродинамических сил, возникающих в
расплаве; необходимость для печей малой и средней ем-
кости источников питания высокой и средней частоты.
Индукционная тигельная печь (рис. 3.13) состоит из
следующих основных элементов: индуктора 1, подключае-
мого к источнику переменного тока; нагреваемого метал-
ла 2; огнеупорного тигля 3 для размещения расплавляе-
мого металла; внешнего магнитопровода 4, применяемо-
го в некоторых печах средней частоты и в печах большой
емкости промышленной частоты для экранировки кожуха
134
печи (для уменьшения потерь
энергии); устройства для сли-
ва металла; токоподводов.
Принцип работы печи осно-
ван на поглощении электромаг-
нитной энергии материалом
загрузки, размещенной в тиг-
ле печи. Нагрев и расплавле-
ние металлической шихты про-
исходят вследствие наведения
электрического тока путем
электромагнитной индукции от Рис 3 13 Индукционная ти-
магнитного поля, создаваемого гельная печь с наружным
индуктором, подключенным к магнитопроводом.
источнику переменной ЭДС
(см. § 3.1). При прохождении тока в кусках шихты
происходит разогрев их до оплавления и образова-
ния жидкой ванны. При получении жидкой ван-
ны наибольшая плотность тока имеет место на перифе-
рии металлической загрузки в слое, прилегающем к
стенкам тигля, а наименьшая — в центральной части за-
грузки. Почти вся поглощаемая энергия выделяется в
слое металла, толщина которого равна глубине проник-
новения тока Дэ,гор- Выделение энергии зависит от часто-
ты тока, геометрических соотношений диаметра тигля и
диаметра индуктора, размеров и электрофизических
свойств шихтового материала. Поскольку при изменении
температуры изменяются как геометрические размеры
сплавляемых друг с другом кусков металла, так и их
магнитная проницаемость и удельное электрическое со-
противление, то частота тока выбирается из условий оп-
тимального режима плавки, при которых процесс рас-
плавления идет наиболее быстро.
Ориентировочно минимальную частоту тока /тгп, Гц,
определяют в зависимости от диаметра тигля do, м, с
учетом удельного электрического сопротивления prop,
Ом-м, горячего металла, доведенного до расплавления:
= 25-10*^4	(3.18)
Это выражение получено из соотношения
г0/2/Дэ ,гор >7, где ro=do/2 и Дэ ,гор — БОЗГрьрЫ.м,
при котором для цилиндрической загрузки обеспечен до-
статочно высокий КПД. нагрева.
135
Как видно из (3.18), частота источника питаний за-
висит от геометрических размеров печи или диаметра
тигля d0. При больших размерах тигля, т. е. при большой
емкости, требуется низкая частота (50 Гц); практиче-
ски— это печи емкостью более 2—3 т (для плавки чер-
ных металлов). Средняя и высокая частоты необходимы
для печей средней и малой емкости (для плавки стали,
чугуна, меди, алюминия).
Определение емкости печи Ут, м8, и потребной мощ-
ности Рп, кВт, производят по массе расплавляемого ме-
талла Мт, кг, или по заданной суточной или часовой про-
изводительности Л?час=ЛГОут/24, КГ/Ч.
Полезную емкость тигля найдем из выражения
VT = или VT = ^2-	,	(3J9)
Ум h
а потребная мощность
Р _ ^часДм. / *1 + Q_\	(3 20)
ЗбООпп \ h г*
где см — энтальпия металла при температуре разливки,
кДж/кг; т)п=т]элт)тепл — КПД печи; ii—время плавки, ч;
#2—время загрузки-выгрузки, ч; ум — плотность металла
в расплавленном состоянии, кг/м3. Диаметр тигля, м,
do = ^(4/л) (0,65-ь0,8) Ут.	(3.21)
Здесь 0,65—0,8—отношение диаметра к высоте ме-
талла в тигле печи.
Коэффициент полезного действия печи т)п существен-
но зависит от зазора между индуктором и садкой (рас-
плавленным металлом в тигле печи). При уменьшении
толщины стенки тигля электрический КПД г|эл увеличи-
вается, а тепловой КПД т)те«л падает, так как при этом
повышаются тепловые потери через футеровку. Обычно
для индукционных тигельных печей t]9n=0,6—0,8, при-
чем большее значение относится к печам большой ем-
кости для плавки черных металлов, а меньшее — к пе-
чам для плавки цветных* металлов (сплавы на основе ме-
ди, алюминия). Тепловой КПД т|тепл=0,8-5-0,85.
Таким образом, общий КПД тигельной печи t]n=
=0,48-5-0,68.
Естественный коэффициент мощности индукционных
тигельных печей cos <рп=0,084-0,25. Для его повышения
используют конденсаторы.
136
При ведении плавки большую роль играет циркуля-
ция расплавленного металла в ванне печи, которая воз-
никает от электродинамических усилий при взаимодейст-
вии токов в индукторе и металле. Направления этих то-
ков противоположны друг другу, и возникают силы, ко-
торые приводят к выдавливанию металла от стенок тиг-
ля к центру; в результате поверхность ванны расплав-
ленного металла в центре вспучивается и металл нахо-
дится в состоянии непрерывного движения. Циркуляция
металла (см. рис. 3.13) способствует ускорению химиче-
ских процессов между компонентами расплава и шла-
ком и выравниванию состава расплава. Для уменьшения
высоты мениска и уменьшения количества шлака для
покрытия поверхности ванны центр катушки индуктора
сдвигают вниз по отношению к центру металла в тигле
печи таким образом, чтобы верхний виток катушки был
ниже уровня зеркала металла на 100—200 мм. Особен-
но большой сдвиг делают в печах промышленной часто-
ты, где циркуляция металла наиболее интенсивна.
Рассмотрим конструкцию основных элементов тигель-
ных печей. Индуктор выполняют из медной водоохлаж-
даемой трубки круглого, квадратного или прямоугольно-
го сечения. Толщина стенок трубок Ди не должна быть
меньше 1,ЗДЭ1И, где Дэ,и—глубина проникновения тока в
медь при рабочей частоте печи. Ниже приводятся реко-
мендуемые толщины трубок в зависимости от частоты
питающего тока:
Л Гц . . . 50 500 1000 2500 4000 8000 70000
Ди, мм . . 13—20 3,5—6 2,5—4,5 2—4 2—3 1,5—2 0,8—2
Для печей промышленной частоты 50 Гц индуктор
выполняют из неравностенных трубок, утолщенная сто-
рона которых должна быть направлена к тиглю с метал-
лом. Поперечное сечение трубки приведено на рис. 3.14;
размеры сечений трубок следующие:
А, мм........... 16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36	56
В, мм........... 22	24	26	28	30	32	34	36	38	40	42	62
D, мм........... 8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	48
Обычно индукторы выполняют однослойными из не-
скольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаж-
дение. При необходимости увеличения высоты витка ин-
дуктора либо выполняют намотку из двух спаянных между
собой трубок, либо делают две параллельно соединенные
катушки, установленные одна под другой по высоте
137
в
Рис. 3.14. Поперечное сечение неравпостенных
трубок для индукторов индукционных печей.
тигля. В последнем случае катушки выполняются: од-
на — левой, а другая'— правой намотки, т. е. чтобы ка-
тушки имели согласное включение при подсоединении
их к источнику питания. Токоподводы подключают к вит-
кам в центральной части индуктора и к параллельно со-
единенным крайним виткам (нижнему и верхнему вит-
кам) индуктора.
Вода для охлаждения секций индуктора должна по-
даваться через гибкие резинотканевые шланги достаточ-
ной длины для обеспечения поворота печи. Температура
входящей воды не должна быть ниже 10° С во избежа-
ние отпотевания индуктора, а выходящей — не выше
50° С, так как при более высокой температуре происхо-
дит отложение солей на стенках трубки, что приводит к
уменьшению сечения отверстия для прохода воды. Систе-
му водоохлаждения рассчитывают так, чтобы падение
давления в каждой из секций индуктора не превышало
2 кПа. Электропечи большой мощности (для плавки ни-
келя, чугуна) и емкости имеют до 10—16 секций водоох-
лаждення. Для контроля температуры воды и давления
устанавливают электроконтактные термометры и реле
давления, а также реле протока, обеспечивающие свое-
временную сигнализацию и отключение установки при
нарушении охлаждения.
Крепление витков цндуктора может быть выполнено
либо с помощью припаянных шпилек, закрепленных в
деревянных стойках в четырех диаметрально противопо-
ложных местах по окружности витка индуктора, либо
стяжками (с изоляцией витков с помощью многослой-
ной изоляционной ленты*или изоляционных прокладок),
а также путем заливки жаростойким бетоном. Индукто-
ры, изготовленные последним способом, являются вибро-
стойкими, хорошо противостоят электродинамическим
усилиям и механическим воздействиям при наклоне пе-
чи, но в случае пробоя изоляции не могут быть отремон-
тированы и подлежат полной замене.
138
Токоподводы к индуктору осуществляют шинопрово-
дами с разъемным соединением в виде контактного но-
жа и губок или гибким водоохлаждаемым кабелем. Для
уменьшения сечения жил кабель помещают в водоохлаж-
даемый рукав. Сечение шинопроводов выбирают с уче-
том поверхностного эффекта (см. рис. 3.4, в—д).
Тигли могут быть электропроводящими (из электро-
проводящих материалов — стали, графита) или неэлек-
тропроводящими (из керамических материалов). Элек-
тропроводящие тигли применяют для улучшения КПД
печи при нагреве металлов и сплавов с малым удельным
электросопротивлением. Толщина тиглей из стали лежит
в пределах 20—40 мм, графитовых—30—70 мм. Графи-
товые тигли применяют для плавки меди и алюминия,
стальные — для плавки магния (рис. 3.15). Электропро-
водящий тигель закрепляется с помощью уголков и по-
лос, приваренных к тиглю и кожуху печи в нескольких
местах по окружности тигля и соединяемых между собой
болтами с изолирующими втулками и шайбами. Между
тиглем и индуктором предусматривают огнеупорный и
теплоизоляционный слои из шамотной и диатомитовой
крупки и асбестового картона.
Воротник печи (верхняя часть тигля) выполняют из
шамотовых или магнезитовых кирпичей и обмазывают
составом, содержащим глину и другой связующий мате-
риал. Сливной носок изготавливают из шамотовых или
магнезитовых блоков или кирпичей и также обмазыва-
ют. Крышки печей футеруют огнеупорным фасонным
кирпичом. При загрузке печи крышку снимают или ото-
двигают с помощью крана, гидравлического или элект-
ромеханического привода.
Тигли устанавливают на подину из асбестоцементных
плит или на кирпичные блоки из шамота. Современные
печи для плавки алюминиевых сплавов имеют подину
из жаропрочного бетона. Между индуктором и огнеупор-
ным тиглем прокладывают асбестовый картон.
• Магнитопроводы применяют для экранировки маг-
нитных полей с целью уменьшения электрических потерь
в кожухе или каркасе печи. Магнитопроводы представ-
ляют собой пакеты прямоугольной формы, набранные из
листов электротехнической стали марок 1511, 1512 или
3411 с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм и скрепленных
между собой болтами с изоляционными втулками. Иног-
да пакеты магнитопроводов служат и для крепления
139
Рис. 3.15. Индукционная тигельная печь со стальным тиглем для
плавки магния.
1 — стальной тигель; 2 — индуктор; 3 — набивная футеровка; 4 — магнито-
провод.
индуктора в радиальном направлении. Пакеты сжимают
индуктор по радиусу в нескольких местах по окружности
витков индуктора. Магнитная индукция в магнитопрово-
де равна 0,9—1,2 Тл для частоты 50 Гц и 0,2—0,5 Тл
для частоты 500 и 1000 Гц. Применение магнитопроводов
для печей на частоту более 1000 Гц нерентабельно, так
как их масса возрастает из-за необходимости снижения
магнитной индукции. В этом случае применяют электро-
магнитные экраны, состоящие из медных листов, окру-
жающих индуктор с наружной стороны. Пакеты магнито-
проводов закрепляют с помощью упорных болтов или
винтов в каркасе печи. Магнитопроводы могут быть
140
жестко скреплены с каркасом печи, или входить в так
называемый узел установки индуктора, и могут быть
выемными вместе с индуктором. Это делается для уско-
рения замены футеровки печи в аварийном случае или
плановой замены, предусмотренной графиком планово-
предупредительных ремонтов печи. Электромагнитные
экраны устанавливаются в вакуумных печах, работаю-
щих на повышенной частоте, где особенно важным явля-
ется уменьшение массы и габаритов отдельных элемен-
тов печи.
Кожух (корпус) печи предназначен для крепления
индуктора и тигля. Для небольших печей (емкостью
0,1—0,5 т) применяют кожухи из неметаллических мате-
риалов— дерева (рис. 3.16), асбестоцементных плит,
брусков текстолита и т. п., а также из немагнитной стали
и цветного металла (бронзы, латуни). При применении
металлических деталей каркас выполняют с разъемами
по окружности во избежание наведения замкнутых то-
ков от электромагнитного поля индуктора. Места разъ-
ема соединяют через изолирующие прокладки с помо-
щью болтов и шпилек со втулками и шайбами из изоли-
рующего материала.
Печи промышленной частоты большой емкости (свы-
ше 3 т) имеют замкнутый сварной или литой кожух из
низкоуглеродистой стали или чугуна. Печи емкостью
10—40 т снабжены поясами жесткости, расположенными
в средней части кожуха, а также поперечными и про-
дольными ребрами жесткости из профильной стали угло-
вого и таврового сечений. В кожухе предусматривают
окна для отвода нагретого воздуха и проемы для присое-
динения токоподводов.
Механизмы наклона печи выполняют с электромеха-
ническим или гидравлическим приводом. Поворот печи
обычно осуществляется вокруг оси, расположенной под
сливным носком для уменьшения перемещения ковша
для слива металла; в этом случае изменение траектории
струи металла будет наименьшим.
Во избежание- опрокидывания печи предусматривают
установку конечных выключателей, срабатывающих при
достижении предельных положений печи и выключаю-
щих механизм наклона. Наклон печей периодического
действия ведут при выключенном электропитании. Элект-
ропитание может не выключаться только у миксеров, ра-
ботающих в непрерывном режиме.
141
Рис. 3.16. Индукционная тигельная печь малой емкости (160 кг по
стали).
1 — набивной тигель; 2 — индуктор; 3—деревянная рама; 4 —ось поворота;
5	— подшипниковая стойка; 6 — каркас; 7 — шаблон.
3.7.	ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Индукционные тигельные печи применяются в про-
мышленности для получения черных металлов (стали,
чугуна, сплавов на основе железа и никеля) и ряда цвет-!
ных металлов.
Печи емкостью 2,5 т и выше питаются от сети 50 Гн
-через понижающие трансформаторы с первичным на-
пряжением 6 или 10 кВ и регулированием вторичного
напряжения под нагрузкой; печи меньшей емкости иуж-
142
даются в преобразователях частоты. Мощность печей за-
висит от емкости и необходимой производительности.
Напряжение на индукторе составляет 500—1700 В. Печи
для подогрева (миксеры) имеют меньшую мощность, чем
плавильные, так как энергия здесь требуется только для
подъема температуры жидкого металла на 100—200° С.
Так, миксер ИЧТМ-10 имеет мощность 750 кВт, тогда
как плавильная печь ИЧТ-10 — 2300 кВт.
Печи для плавки стали рассчитаны на рабочую тем-
пературу тигля 1600—1700° С, а для плавки чугуна — на
1400—1450° С. Для плавки чугуна применяют набивную
высокоглиноземистую футеровку, работающую достаточ-
но длительное время. В настоящее время все большее
число индукционных печей входят в эксплуатацию вза-
мен вагранок. Стоимость выплавки чугуна в тигельных
печах ниже, чем в вагранках, на 20—25 руб. на тонну
чугуна (в зависимости от состава исходной шихты) при
высоком качестве металла. В тигельных печах можно
получить любую марку серого чугуна, а также синтети-
ческого чугуна, выплавляемого из шихты с преимущест-
венным содержанием стальных отходов без использова-
ния чушковых литейных чугунов. Для доведения хими-
ческого состава до нужных значений по углероду, крем-
нию и марганцу используются порошок из электродной
стружки, силикокальций и ферромарганец. Для получе-
ния высоких технико-экономических показателей печи
применяют специальные средства для удаления из ших-
ты влаги, масла, эмульсий и других жиросодержащих
веществ (подогрев шихты с использованием дешевого
топлива — газа).
Технические характеристики индукционных тигель-
ных печей для плавки стали и чугуна и миксеров для по-
догрева чугуна приведены в [18, 20]. На рис. 3.17 пока-
зана конструкция печи ИЧТ-10.
На основе размерного ряда емкостей разработаны
варианты плавильных установок, которые позволяют
иметь различную производительность и резерв мощно-
стей.
Печи малой емкости питаются от источников средней
частоты. Печи выполняют без внешних магнитопроводов
(см. рис. 3.16); витки индуктора закрепляют с помощью
приваренных шпилек на текстолитовых стойках, тигель
устанавливается на асбестоцементных плитах, закреп-
ленных на раме из деревянных брусьев и скрепляющих
143
Рис. 3.17. Индукционная тигельная печь промышленной частоты для4
плавки чугуна емкостью 10 т.
1 — тигель; 2 — поворотная рама; 3 — опорная рама; 4 — плунжеры; 5 — крыш-
ка печи с механизмом подъем
ж
уголков. Наклон печи осуществляют путей поворота
вокруг оси, расположенной под сливным носком? Набив-
ка тигля производится с помощью шаблона, расплавляе-
мого при первой плавке и способствующего спеканию
футеровки. Шаблоны выполняют сварными из листового
проката.
3.8.	ВАКУУМНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ
. Вакуумные индукционные печи применяют для плав-
ки высококачественных сталей и жаропрочных сплавов
на железной, никелевой и кобальтовой основе, а также
цветных металлов и сплавов. Кроме того, эти печи могут
быть применены для зонной очистки, варки стекла, тер-
мообработки металлических деталей, получения моно-
кристаллов. Плавку и термообработку можно произво-
дить в вакууме или в среде нейтрального газа. Металлы,
полученные в вакуумных печах, обладают улучшенными
механическими свойствами, большой износостойко-
стью, антикоррозийностью, жаропрочностью. • Потреб-
ность в качественной стали и других металлах в народ-
ном хозяйстве возрастает, поэтому растут число и мощ-
ность вакуумных индукционных печей.
Вакуумные индукционные печи являются высокоме-
ханизированными и автоматизированными устройствами.
Загрузка шихты, введение добавок и присадок, разливка
и выдача металла осуществляются механизмами с элек-
трическим и гидравлическим приводом.
По назначению печи делят на лабораторные, опытно-
промышленные и промышленные. Чем меньше емкость
расплава, тем более высокой должна быть частота тока.
Поэтому лабораторные печи емкостью от нескольких до-
лей до нескольких десятков килограммов питаются от
ламповых генераторов (с частотой 70—500 кГц) или
преобразователей частоты 2500—10 000 Гц. Печи про-
мышленного назначения с большой производительно-
стью по выпуску металла -имеют емкость от нескольких
сотен килограммов до нескольких десятков тонн и пото-
му питаются от промышленных сетей частотой 50 Гц.
Печи средней емкости от нескольких сотен килограммов
до 2,5 т комплектуются преобразователями частоты сред-
него диапазона (500—10 000 Гц).
Печи малой емкости выполняются периодического
действия; у них индуктор располагают как в вакуумной
10—859
145
камере, так и вне ее. Разлив металла производят либо
поворачивая вакуумную камеру вместе с печью, либо
через дно тигля (с помощью стопорного механизма или
проплавления пробки). Металл разливают в изложни-
цу, помещенную внутри вакуумной камеры в патрубке,
с изменяющимся углом в процессе разливки («качаю-
щаяся» изложница, рис. 3.18). В СССР серийно выпус-
каются печи периодического действия емкостью от 10 до
160 кг (ИСВ-0.0ШИ или ИСВ-0.16ПИ).
Печи опытно-промышленного назначения используют
для фасонного литья деталей на машиностроительных
заводах. Их выполняют как периодического, так и полу-
непрерывного действия. Первые снабжают дозатором
Рис. 3.18. Вакуумная индукционная печь малой емкости (160 кг по;
стали).
1 — поддов; 2 —изложница; У,—ось поворота патрубка 8 с изложницей;’
4— предохранительный клапан; 5 —узел тигля с индуктором; 6—дозатору
7 — ось поворота изложницы.
146
для добавок шихты в процессе плавки, устройством для
замера температуры и взятия проб металла для химиче-
ского анализа, устройством для пробивки мостов и ших-
ты, осаживания шихты и зачистки тигля после слива ме-
талла. В крышке и боковых стенках камеры печи уст-
раивают гляделки для наблюдения за ходом плавки и
патрубок для присоединения к вакуумной системе. Ко-
жух печи выполняют из нержавеющей стали, стойкой к
коррозии, с двойными стенками для водоохлаждения.
Для уменьшения потерь от электромагнитного поля ин-
дуктора предусматривают электромагнитные экраны в
виде медных листов, окружающих индуктор снаружи,
или ферромагнитные экраны в виде пакетов из электро-
технической стали 3411, устанавливаемые снаружи ин-
дуктора у печей на 50—1000 Гц. Токоподводы проводят
через вакуумное уплотнение в кожухе печи или через
поворотное устройство, позволяющее поворачивать печь
без нарушения вакуума. Токоподводы и индуктор охлаж-
даются водой.
Печи полунепрерывного действия имеют обычно три
камеры: камеру загрузки, плавильную камеру и камеру
изложниц. Преимуществами такой печи являются боль-
шая производительность и более полная загрузка источ-
ника питания, так как время простоя здесь невелико.
Камеры разделены между собой шлюзовыми затвора-
ми, что позволяет совмещать по времени операции за-
грузки шихты, плавления металла в печи и остывания в
изложницах металла, поступившего от предыдущей
плавкц. Каждая камера имеет свою систему вакуумной
откачки, так что вакуум в плавильной камере может
сохраняться в течение длительного периода работы пе-
чи. Печи полунепрерывного действия выполняют на ем-
кость тиглей от 0,16 до 6 т. Они имеют механизмы для
опускания и подъема загрузочной камеры, для передви-
жения тележки с изложницами, для открывания и закры-
вания шлюзовых затворов. Несмотря на большую стои-
мость вакуумных печей полунепрерывного действия из-за
сложности их конструкций, общая стоимость металла,
выплавляемого в таких печах, меньше, чем стоимость
металла, полученного в печах периодического действия.
Конструкция печи полунепрерывного действия сред-
ней емкости приведена на рис. 3.19. Печь находится в
цилиндрической плавильной камере с водоохлаждаемы-
ми стенками из нержавеющей стали. На крышке Камеры
Ю*
147
Рис. 3.19. Вакуумная индукционная печь полунепрерывного дейст-
вия средней емкости (сталь 600 кг).
1 —кожух плавильной камеры; 2 — тигель; 3 — индуктор; 4 — подина; S — те-
лежка; 6 — изложница; 7 — шток для зачистки тигля; 8 — плавильная камера;
9 — насадка для слива металла в изложницу; 10 — ось поворота печи; 11 —
шлюзовой затвор; 12 — загрузочная камера; 13 — корзина; 14 — крышка загру-
зочной камеры; 15 — привод корзины; 16 — устройство для взятия проб и из-
мерения температуры металла.
установлены шлюзовой затвор и загрузочная камера с
корзиной и механизмом лебедочного типа. Здесь же рас-
положены дозатор н устройство для взятия проб и за-
мера температуры, а сбоку плавильной камеры—камера
148
изложниц, отделенная от плавильной камеры шлюзовым
затвором. Изложницы устанавливают на тележку с элек-
тромеханическим приводом, позволяющим передвигать
их в плавильную камеру для слива металла из печи и
обратно в камеру изложниц для остывания до определен-
ной температуры. Под печью предусмотрена металло-
сборная чаша на случай прорыва металла из тигля.
Жесткие токоподводы проходят через поворотное уст-
ройство. Токоподводы и индуктор имеют водяное охлаж-
дение. Изоляция витков индуктора выполнена липкой
синтетической лентой; индуктор укреплен с помощью
стяжек. Для наблюдения за процессом в плавильной ка-
мере и камере изложниц установлены гляделки. Наблю-
дение ведут с рабочих площадок, имеющих ограждение.
В боковых стенках камер имеются патрубки для присое-
динения к вакуумной системе. Щиты управления и кон-
денсаторная батарея установлены вблизи печи.
Вакуумная система обеспечивает остаточное давление
в плавильной камере до 0,1 Па, в других камерах — до
1 Па, а также быстрое восстановление исходного остаточ-
ного давления при соединении ее с другими камерами.
В комплект вакуумного оборудования входят бустерные
паромасляные и механические насосы, механические фор-
вакуумные насосы, вакуумные затворы и вентили, цент-
робежный насос, фильтры, трубопроводы и сигнально-
измерительная аппаратура.
Печи для плавки цветных металлов для повышения
КПД оснащены электропроводящими тиглями. Для мед-
ных сплавов и алюминия применяют графитовые тигли.
Несмотря на высокую стоимость выплавки металла
в вакуумных печах, их использование расширяется, так
как они окупаются высоким качеством получаемого ме-
талла и малым угаром дорогостоящих легирующих при-
садок. Детали, изготовленные из стали, выплавленной в
вакуумных печах, имеют в 2—2,5 раза больший срок
службы, а медь — меньшее удельное электрическое со-
противление.
Технические данные индукционных вакуумных печей
приведены в [12, 18, 22]. Печи питаются от машинных
или тиристорных преобразователей, подключаются к се-
ти промышленной частоты 50 Гц напряжением 0,38 и
6 кВ. Печи для плавки стали снабжены перемешиваю-
щими устройствами.
149
3.9.	ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И СХЕМЫ ПИТАНИЯ
ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ~
Индукционные тигельные печи емкостью более 2 т в
мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных по-
нижающих трансформаторов с регулированием вторич-
ного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высо-
ковольтной сети промышленной частоты. Печи выполня-
ют однофазными, и для обеспечения равномерной на-
грузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подклю-
чают симметрирующее устройство, состоящее из реакто-
ра L с регулированием индуктивности методом измене-
ния воздушного зазора в магнитной цепи и конденсатор-
ной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме
треугольника (см. АРИС на рис. 3.20). Силовые транс-
форматоры мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ-А имеют
9—23 ступени вторичного напряжения с автоматическим
регулированием мощности на желаемом уровне.
Печи меньших емкости и мощности питаются от одно-
фазных трансформаторов мощностью 400—2500 кВ-А;
при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также уста-
навливают симметрирующие устройства, но на стороне
ВН силового трансформатора.
При меньшей мощности печи и питании от высоко-
вольтной сети 6 или 10 кВ можно отказаться от симмет-
Рис. 3.20. Схема питания индукционной тигельной печи от силового
трансформатора ПТ с симметрирующим устройством и регулято-
рами режима печи.
ПСИ — переключатель ступеней напряжения; С„ — симметрирующая емкость;
£ —реактор симметрирующего устройства; С-Сп _ компенсирующая конден-
саторная батарея; И —индуктор печи; АРИС — регулятор симметрирующего
устройства; АРИР — регулятор режима; 1K—NK — контакторы управления
емкостью батареи Ci—Сл: TTf» TTS — трансформаторы тока.
150
Рис. 3.21. Планировка размещения электрооборудования индукцион-
ной тигельной печи .промышленной частоты.
/ — печь; 3 —конденсаторы; 3 — пульт управления; 4 — шкаф контакторов;
5 — реактор симметрирующего устройства; б — силовой трансформатор; 7 —
фильтр; 8 — вентилятор; 9 —установка водоохлаждения; 10 — пульт управле-
ния наклоном печи; 11 — маслонапориая установка.
рирующего устройства, если колебания напряжения при
включении и выключении печи будут находиться в допу-
стимых пределах. На рис. 3.20 приведена схема питания
печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуля-
торами электрического режима АРИР, которые в задан-
ных пределах обеспечивают поддержание напряжения,
мощности Рв и coscpn путем изменения числа ступеней
напряжения силового трансформатора и подключения
дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуля-
151
торы и измерительная аппаратура размещены в шкафах
управления.
На рис. 3.21 приведена примерная планировка раз-
мещения основного электрооборудования печи промыш-
ленной частоты. Для уменьшения потерь от контурных
токов компенсирующую конденсаторную батарею распо-
лагают вблизи печи или под рабочей площадкой. Сило-
вой трансформатор и реактор симметрирующего устрой-
ства размещают в отдельной камере. В воротах этой ка-
меры предусматривают жалюзи для притока холодного
воздуха. Помещение конденсаторной батареи также име-
ет приточно-вытяжную вентиляцию с фильтрацией
воздуха. Маслонапорная установка размещена под
печью, а пульт наклона печи — в непосредственной бли-
зости от сливного носка печи для удобства наблюдения
за разливом металла.
„ Печи малой и средней емкости питаются от машин-
ных или тиристорных преобразователей частоты. Преоб-
разователи представляют собой равномерную нагрузку
трехфазной сети, так что симметрирующие устройства не
требуются.
На рис. 3.22 приведена принципиальная схема пита-
ния индукционных тигельных печей от машинного пре-
образователя средней частоты.
Печи оснащены автоматическими регуляторами элек-
трического режима, системой сигнализации «проедания»
тигля (для высокотемпературных печей), а также сигна-
лизацией о нарушении охлаждения в водоохлаждаемых
элементах установки.
Машинные преобразователи серии ВПЧ имеют мощ-
ность от 12 до 100 кВт, серии ВЭП — 60 и 100 кВт и час-
тоту 2400 и 8000 Гц; преобразователи серии ОПЧ имеют
мощность 250, 320, 500 кВт и частоту 2400, 4000, 8000 и
10 000 Гц. Эти преобразователи' имеют однокорпусное
вертикальное исполнение. Преобразователи большей
мощности серии ОПЧ — двухкорпусные, горизонтального
исполнения, с водяным охлаждением, мощностью 1000,
1500 и 2500 кВт и частотой 500 и 1000 Гц. Тиристорные
преобразователи имеют мощность от 100 до 3200 кВт
(например, СЧИ-100/3 и ТПЧ-800-1 мощностью 100 кВт,
3 кГц и 800 кВт, 1 кГц соответственно).
Для компенсации реактивной мощности печей про-
мышленной частоты предназначены косинусные конден-
саторы типов КМ и КС (масляные и соволовые) мощ-
152
Рис. 3.22. Схема питания индукционной тигельной печи от машин*
ного преобразователя средней частоты со структурной схемой авто*
матического регулирования режима плавки.
М — приводной двигдтйль; Г —генератор средней частоты; IK—NK — магнит-
ные пускатели; TH — трансформатор напряжения; ТТ — трансформатор тока;
МП — индукционная печь; С, /С—АТС — конденсаторы; ДФ — датчик фазы;
ПУ — переключающее устройство; УФР — усилитель-фазорегулятор; 1КЛ,
2КЛ — линейные контакторы; БС — блок сравнения; БЗ — блок защиты; ОБ —
обмотка возбуждения; PH — регулятор напряжения.
ностью от 14 до 75 квар и напряжением от 0,22 до
1,05 кВ, а для средних частот — типов ЭМВ и ЭСВ с во-
дяным охлаждением мощностью от 70 до 400 квар, на-
пряжением 0,375—2,0 кВ и со стандартными частотами
среднечастотного диапазона.
3.10.	ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Цикл работы печи состоит в основном из следующих этапов: за-
грузки шихты, пуска печи, ведения плавки, разливки металла, оста-
новки печи.
Загрузка шихты. Перед загрузкой шихты проверяют состояние
тигля и легочной керамики, работу всех механизмов, систем водоох-
лаждения и сигнализации. На дно печи кладут мелкую шихту
(стружку, скрап), тугоплавкие присадки, ферромарганец и ферросили-
ций v (во избежание переокисления). Среднюю часть тигля загружают
более крупными кусками; промежутки между ними заполняют мел-
кой шихтой. Крупные печи загружают с помощью корзин и бадей.'
Верхнюю часть печи загружают мелкой шихтой. Для экономии элек-
троэнергии рекомендуется проводить предварительное прокаливание*
шихты в печах недорогим топливом. ч
1531
Пуск „печи осуществляют в следующем порядке. Включают во-
доохлаждение всех элементов печи, запускают двигатель или под-
ключают силовой трансформатор к сети. Включают 2/3 емкости кон-
денсаторной батареи, а затем — возбуждение генератора и устанав-
ливают напряжение на генераторе, равное 0,7—0,8 номинального, или
подключают соответствующую ступень напряжения силового транс-
форматора. Включают линейный контактор в цепи индуктора печи
и, дополнительно подключая конденсаторные банки, добиваются ра-
венства созфп=1 (или несколько опережающего cos фи). При авто-
матическом управлении производят переключение на регулятор элек-
трического режима АРЭР.
Ведение плавки. В процессе ведения плавки необходимо следить
за показаниями приборов, за состоянием водоохлаждения и соблю-
дать режим добавок шихтовых материалов и легирующих добавок.
При догрузке тигля необходимо снизить напряжение и выключить
часть конденсаторов, а после опускания шихты восстановить режим.
Разливку производят в ковш или другое разливочное оборудова-
ние. Поверхность металла в ковше покрывают шлаковой смесью, со-
стоящей из кварцевого песка и дробленой извести, а затем произво-
дят разливку металла в формы для фасонного литья или в излож-
ницы для получения слитков.
Остановка печи. После освобождения тигля от металла осматри-
вают футеровку тигля и в случае необходимости производят подвар-
ку его стенок, ремонт воротника и летки в горячем состоянии. Если
следующая плавка не предстоит, то выключают охлаждающую воду
в конденсаторах, возбуждение генератора и приводной двигатель или
электропечной трансформатор, отключают цепи управления и после
полного остывания тигля выключают охлаждающую воду в ин-
дукторе.
При эксплуатации печи должны быть выполнены следующие тре-
бования техники безопасности:
1.	К работе на печи допускаются только специально подготов-
ленные плавильщики н электромонтеры, сдавшие экзамен и усвоив-
шие безопасные приемы труда.
2.	Персонал должен быть обеспечен спецодеждой, рабочим ин-
струментом, инструкциями по ведению технологического процесса и
всеми электрическими принципиальными и монтажными схемами пи-
тания и управления печи и схемами управления вспомогательными ме-
ханизмами, а также схемой системы водоохлаждения всей установки.
3.	Добавка шихты в расплавленную ванну производится только
в подогретом для удаления в^аги виде, разливка металла — только
в предварительно прокаленное перед разливкой оборудование.
4.	В случае обнаружения покраснения отдельных участков кожу-
ха печи необходимо вылить металл и принять меры в соответствии
с инструкцией по. технике безопасности для данной печи.
3.11.	ИНДУКЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
ДЛЯ СКВОЗНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛА
Индукционные нагревательные установки применяют
главным образом для нагрева мерных заготовок под го*
рячую ковку в кузнечных цехах машиностроительных
заводов. Они имеют следующие преимущества:
184
1.	Большая скорость нагрева, а значит, и производи-
тельность.
2.	Возможность обеспечения поточного характера
производства.
3.	Возможность автоматизации и механизации про-
цесса и регулирования электрического режима уста-
новки.
4.	Малый угар металла и меньший брак из-за за-
штамповки окалины.
5.	Малая производственная площадь, занимаемая не-
посредственно нагревателем.
о. Высокая культура производства (малое загрязне-
ние воздушной среды, малое выделение теплоты, облег-
чение труда рабочих, чистота рабочего места).
7. Высокое качество термообработки и повышение
стойкости штампов из-за меньшего количества окалины.
К недостаткам индукционных установок следует от-
нести необходимость в источниках тока средней частоты
для заготовок с диаметром меньше 100 мм, необходи-
мость в помещениях для этих преобразователей и кон-
денсаторных батарей для компенсации реактивной мощ-
ности нагревателей, а также необходимость высокой
квалификации персонала для монтажа и обслуживания
установок.
Несмотря на это, при выборе метода нагрева техни-
ко-экономический расчет, проведенный с учетом многих
факторов, показывает рентабельность индукционного
нагрева, даже если стоимость электроэнергии выше сто-
имости других источников теплоты. Поэтому от первых
опытов по применению индукционного кузнечного нагре-
ва в конце 40-х годов и создания первых кузниц с мощ-
ностью в 3000 кВт по средней частоте эта технология
развивалась до современных кузниц и прокатных цехов
мощностью 10—15 МВт. Производительность установок
для проката прутков составляет 10—20 т/ч. Перспективы
применения индукционных нагревательных установок с
каждым годом расширяются.
Индукционный сквозной нагрев применяется для раз-
личных технологических операций горячей деформации
(ковки, штамповки, прокатки, гибки, прессовки и т. п.),
а также с целью сварки (поперечной и продольной свар-
ки труб).
Установки индукционного нагрева имеют сравни-
тельно высокий КПД, поскольку теплота выделяется в
155
самом нагреваемом изделии без использования какого-
либо теплоносителя, что дает высокие скорости нагрева
и производительность. Непрерывный режим работы на-
гревателей позволяет их размещать в непосредственной
близости от ковочного оборудования, молотов, прессов.
Расширяется применение индукционного нагрева сля-
бов, сутунок, слитков под прокат из черных и цветных
металлов. Индукционный нагрев в последние годы ус-
пешно применяется для горячей выкатки зубьев шесте-
рен.
Для индукционных установок сквозного нагрева ис-
пользуют ток частотой от 50 до 10 000 Гц от промыш-
ленных сетей и преобразователей частоты. Источник пи-
тания выбирают в зависимости от размеров загото-
вок, металла и требуемой производительности уста-
новки.
Плотность тока по сечению металлического тела не
остается постоянной, а уменьшается к центру тела. Наи-
большая плотность тока приходится на поверхностный
слой металла, где имеет место и наибольшее выделение
тепловой энергии.
Путем подбора частоты для определенного диаметра
детали можно добиться прогрева только поверхностного
слоя требуемой глубины либо более глубокого — глубин-
ного прогрева.
Поверхностным называют нагрев, когда теплота пе-
редается от поверхности в глубь металла главным обра-
зом теплопроводностью при сильном перегреве поверх-
ности. Таким является нагрев в пламенных печах, в пе-
чах сопротивления, а также индукционный нагрев с ма-
лой глубиной проникновения тока.
Глубинным называют нагрев, происходящий путем
выделения теплоты в слое достаточной толщины по се-
чению детали при отсутствии большого перепада темпе-
ратуры между поверхностью и слоем определенной тол-
щины. Для нагревательных индукционных установок
выбор частоты должен производиться таким' образом,
чтобы обеспечить глубинный тип нагрева, так как при
этом будет меньше перегрев поверхности заготовок и
выше КПД.
Нагрев считают глубинным, если эквивалентная глу-
бина проникновения АЭДоР составляет не менее 0,25—0,45
радиуса нагреваемой заготовки Го. т- е- относительный
радиус равен re V2/АЭ1Гор > 3-*-5.
156
Для эффективного нагрева стальных заготовок диа-
метром do> мм, рекомендуются следующие частоты тока:
4., мм ... . 20—40 30—60 40—70 50—120 70-^160 Более 160
Л Гц .... 8000 4000 2500	1000	500	50 Гц
Для нагревателей, работающих на частоте 50 Гц,
размеры заготовок из стали и цветного металла приве-
дены в табл. 3.2.
Таблица 32. Рекомендуемые размеры заготовок для нагрева
на частоте 50 Гц
Размер	Сталь	Алюминий	Медь	Ншсель	Титан
Диаметр, d0, мм:					-
минималь- ный	180	70	70	120	200
оптималь- ный	250	90	90	210	400
Необходимую частоту, Гц, для сквозного нагрева ци-
линдрических стальных заготовок можно определить
ориентировочно по выражению
f«310Vd2,	(3.22)
где do — диаметр нагреваемых заготовок, см.
Время нагрева заготовок до заданной температуры
зависит от подводимой удельной поверхностной мощно-
сти и от заданного перепада температур между центром
заготовки и ее поверхностью. На рис. 3.23 приведены
графики времени нагрева для стальных заготовок в ин-
дукторах при различных частотах тока с учетом перепа-
да температуры в 100° С между поверхностью и центром.
Можно осуществить ускоренный (или изотермичес-
кий) нагрев с меньшим временем, когда индуктор имеет
различную магнитную напряженность по длине за счет
переменного шага намотки и вследствие этого — пере-
менную удельную мощность по длине. Поглощение мощ-
ности в начале нагрева увеличивается, температура на
поверхности заготовок возрастает, в результате чего цен-
тральные слои прогреваются быстрее, что и приводит к
общему сокращению времени нагрева в 2—2,5 раза.
157
Рис. 3.23. Время нагрева ta стальных заготовок диаметром de при
различных частотах тока.
Но ускоренный нагрев можно применять не для всех
сталей из-за внутренних напряжений, появляющихся в
результате больщих перепадов температур между по-
верхностью и центром заготовки. Ускоренный нагрев
применим для обычных низколегированных сталей с вы-
сокой теплопроводностью нагреваемого металла в нагре-
вателях непрерывного действия, выполненных с нерав-
номерной плотностью намотки витков по длине индук-
тора.
По режиму работы нагреватели кузнечных заготовок
разделяются на нагреватели периодического действия и
нагреватели непрерывного действия.
В нагревателях периодического действия нагревает-
ся только одна заготовка или часть ее. В процессе на-
грева заготовки из ферромагнитной стали происходит
изменение потребляемой мощности: вначале мощность
возрастает на 20—30% первоначальной, а затем падает
до 60—70% в связи с изменением электрического сопро-
тивления и магнитной пррницаемости в процессе нагре-
ва. При нагреве заготовок из цветного металла мощность
в конце нагрева по сравнению с мощностью в начале
его несколько возрастает.
В нагревателях непрерывного действия одновремен-
но находятся несколько заготовок, расположенных по-
перек или вдоль оси индуктора. В процессе нагрева за-
158
готовки толчками или непрерывно перемещаются по дли-
не индуктора, нагреваясь до ковочной температуры. Темп
выдачи заготовок определяется потребным временем на-
грева и.числом заготовок, находящихся одновременно в
индукторе. Колебания потребляемой мощности незначи-
тельны, так как в индукторе все время имеются заго-
товки, нагретые выше температуры магнитных превра-
щений, и заготовки, еще не потерявшие магнитных
свойств. При вводе новой (холодной) заготовки и од-
новременном выходе с другого конца индуктора нагре-
той до ковочной температуры заготовки происходит уве-
личение мощности, а затем ее спад до момента ввода
следующей заготовки. График потребляемой мощности
имеет пилообразный характер. Средняя мощность, по-
требляемая нагревателем непрерывного действия от ис-
точника питания, выше, чем средняя мощность, потреб-
ляемая нагревателем периодического действия. Следо-
вательно, нагреватели непрерывного действия полнее
используют мощность источника питания и, кроме того,
работают длительное время (выключаются только в обе-
денный перерыв, при смене режима нагрева и в конце
рабочей смены). Нагреватели непрерывного действия
имеют более высокие КПД источника питания и произ-
водительность установки, чем нагреватели периодичес-
кого действия. Поэтому при мерных заготовках длиной
20—500 мм и прутках длиной до 6 м при массово-поточ-
ном производстве применяются, главным образом, на-
греватели непрерывного действия. Темп выдачи загото-
вок определяется их размером, мощностью источников
питания и производительностью пресса. Возможны слу-
чаи питания нескольких нагревателей от одного генера-
тора, а также подключение нескольких генераторов к
одному нагревателю, состоящему из многих секций.
Конструкция индуктора для сквозного нагрева заго-
товок определяется их формой и размером. Нагрева-
тельные катушки — индукторы могут быть навиты в ви-
де соленоида с круглым сечением—для цилиндрических
заготовок и иметь прямоугольное или квадратное сече-
ние—для заготовок с прямоугольным и квадратным се-
чением. Для нагрева концов заготовок индукторы вы-
полняются петлевыми и щелевыми. Короткие мерные за-
готовки могут быть расположены поперек оси индуктора
и скатываться по направляющим, уложенным вдоль оси
индуктора.
и,-
Рис. 3.24. Многовитковый индуктор для сквозного нагрева кузнеч-
ных цилиндрических заготовок.
1 — катушка: 2 — брус; 3 — торцевая плита; 4 — контактная пластина; 5 —
водяной коллектор.
Наиболее широко применяются индукторы для нагре-
ва цилиндрических заготовдк.
Индуктор (рис. 3.24) состоит из следующих основных элементов:
катушки (из медной трубки круглого или профилированного сече-
ния); жаростойкой изоляции из фасонных кирпичиков или колец; на-
правляющих из жаростойкой стали, каркаса для крепления всех эле-
ментов индуктора и системы водоохлаждения. Для нагревателей
промышленной частоты катушки могут быть навиты из трубок спе-
циального профиля с утолщением одной -стороны (см. рнс. 3.14).
Витки катушки изолируются киперной лентой, пропитанной шелла-
ком, лакотканью или стеклотканью в два слоя с покрытием* кремннй-
органическим лаком и запеканием в сушильной печи. Крепление вит-
ков катушки производят с помощью металлических стяжек или де-
ревянных брусьев, пропитанных огнестойким составом и сжимающих
витки между торцевыми щеками из изоляционного материала (тек-
столита, асбестоцемента и др.). В последнее время применяют ин-
дукторы, залитые в жаропрочный бетон. Такие индукторы механиче-
ски прочны и внбростойки, но не могут быть отремонтированы в
случае пробоя витков, а только заменены такими же индукторами.
При необходимости иметь большую длину нагревателя индукторы
выполняются из отдельных секций, соединяемых между собой в по-
следовательно-параллельные группы, как, например, нагреватели для
сквозного нагрева длинных прутков.
Для мерных заготовок небольшой длины в СССР разработана се-
рия кузнечных индукционных нагревателей мощностью от 500 до
1000 кВт на частоту 50 Гц. Технические параметры таких нагревате-
лей приведены в [6, 18]. i
При наличии большого количества нагревателей в цехе применя-
ют схему централизованного их питания. На рис. 3.25 приведена
принципиальная схема централизованного питания. Источники энер-
гии (вращающиеся или статические преобразователи) размещены в
отдельном помещении на некотором расстоянии от производственного
помещения цеха и подключены к общим шинам. С общих шин идут
отдельные токопроводы (кабели или шинопроводы) к каждому на-
гревателю. Для обеспечения стабильности технологического процесса
fee
Рис. 3.25. Схема централизованного
питания индукционных нагреватель-
ных установок.	х
М — приводные двигателя; Г — генерато-
ры средней частоты; ВМ — выключатели
мощности; КЛ — линейные контакторы;
Р — разъединители; Я — индукционные
нагреватели; TH — трансформатор напря-
жения; ТТ — трансформатор тока.
при нагреве заготовок напряжение
на общих шинах поддерживают по-
стоянным с помощью регулятора
напряжения независимо от потреб-
ляемой нагрузки. Для обеспечения
регулирования режима при измене-
нии геометрических размеров заго-
товок индуктор подключают к авто-
трансформатору. Для компенсации
реактивной мощности служит кон-
денсаторная батарея, часть емкости
которой подключается через контак-
торы.
Нагреватели периодического дей-
ствия выпускаются мощностью 150
и 250 кВт с питанием от машинных
преобразователей частоты от 1 до 10 кГц для иагрева цилиндриче-
ских заготовок диаметром от 20 до 120. мм и длиной от 100 до
500 мм.
Расход электроэнергии при применении средней частоты состав-
ляет 480—500 кВт-ч/T при нагреве стальных заготовок, а при исполь-
зовании промышленной частоты — 340—380 кВт«ч/т и 320 —
340 кВт'ч/т при нагреве алюминцевых заготовок.
Индукторы средней частоты имеют магнитопроводы, охватываю-
щие витки катушки с двух или четырех сторон. Нагреватели выпол-
няются одно-, двух- и трехфазными в зависимости от мощности и
подключаются к регулируемому силовому трансформатору. Для
уменьшения вибраций витков катушек при больших токах индукторы
заливают в жаростойкий бетон. Из таких бетонированных секций со-
стоит, например, индукционная нагревательная установка для нагре-
ва прутков диаметром 65—115 мм и Длиной 650—1400 мм из стали
ШХ15 или 18ХГТ под профилирование подшипниковых колец про-
изводительностью 3000—5000 кг/ч. Питание установки осуществля-
ется от пяти преобразователей частоты мощностью по 500 кВт, час-
тотой 1000 Гц.
3.12.	ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ ПОД ТЕРМООБРАБОТКУ
Индукционной поверхностной закалке подвергают
трущиеся поверхности стальных деталей для уменьше-
ния их износа при эксплуатаций. Поверхностную закал-
ку проводят для увеличения твердости в поверхностном
11—859	1М'-
слое до значения 56—62 HRC/йо шкале А в зависимости
от технологических требований. Обычно добиваются в
поверхностном слое мартенситной структуры, но возмож-
на также закалка на троостит-мартенсит и сорбит. Внут-
ренние слои металла остаются с исходной ферритовой
структурой, обеспечивающей мягкость и вязкость серд-
цевины детали.
Индукционная поверхностная закалка заключается в
интенсивном нагреве поверхностного слоя детали из ста-
ли или чугуна током высокой или средней частоты до
температур выше точки магнитных превращений и в бы-
стром охлаждении нагретого'слоя в водяной, масляной
или (для некоторых марок сталей)- воздушной среде.
Преимуществом индукционной закалки является ус-
корение процесса термообработки в десятки раз по срав-
нению с печным сквозным нагревом (в газовых печах,
печах сопротивления, соляных ваннах и др.) благодаря
большой концентрации энергии именно в слое опреде-
ленной глубины и длины, подлежащем упрочнению. Кро-
ме того, индукционная поверхностная закалка позволяет
использовать явление самоотпуска без применения спе-
циального низко- или высокотемпературного отпуска для
снятия внутренних температурных напряжений при за-
калке. *
По конструкции закалочного устройства и способу
подачи охлаждающей жидкости различают в основном
два способа индукционной поверхности закалки — од-
новременную и непрерывно-последовательную.
Одновременная закалка заключается в одновремен-
ном нагреве всей закаливаемой поверхности детали или
отдельного ее участка до закалочной температуры и за-
тем— одновременном охлаждении нагретой поверхности
охлаждающей жидкостью. Обычно охлаждающую воду
подают через отверстия в активном витке (рис. 3.26, а,
б) индуктора после выдержки времени нагрева, в тече-
ние которой происходит разогрев поверхности детали.
При использовании масла в качестве охлаждающей сре-
ды деталь после нагрева ’сбрасывают в масляный бак.
Непрерывно-последовательная закалка заключается
в последовательном нагреве и охлаждении поверхности
детали при поступательном ее движении относительно
индуктора (или индуктора относительно детали) при
необходимости закалки поверхности большой площади и
сравнительно небольшой мощности источника питания,
162
Рис. 3.26. Виды поверхностной закалки.
а — одновременная; б — поочередная; а — непрерывно-последовательная; / —
деталь; 2 —индуктор; 3 — устройство для подачи охлаждающей воды.
например закалка длинных валов, головок рельс, прут-
ков и т.д. Закалочная вода подается из специального
душирующего устройства (рис. 3.26, в).
На рис. 3.27, а, б показаны внешние виды индукто-
ров для одновременной и непрерывно-последовательной
закалки (в нижней части индуктирующего витка высвер-
лены отверстия под углом 45° к оси индуктора для по-
дачи охлаждающей воды на закаливаемую поверхность).
Для получения равномерного закаленного слоя рекомен-
дуется применять вращение детали.
Основными элементами индуктора являются индук-
тирующий виток, щеки и колодки. С помощью колодок
индуктор присоединяется к закалочному трансформато-
ру; колодки делаются достаточно прочными, чтобы удер-
живать индуктирующий виток, иногда с закаливаемой
деталью. Все детали индуктора выполняют из меди мар-
ки Ml; для уменьшения электрических потерь толщина
активного витка не должна быть меньше 1,35 Да,и, где
Д8>и—глубина проникновения тока в медь при частоте
источннка питания. При высоких частотах толщину вит-
ка выбирают исходя из механической прочности индук-
тора.
Индукторы могут иметь различный вцд в зависимо-
сти от конфигурации закаливаемых поверхностей дета-
лей, а также могут быть многоместными для размеще-
ния нескольких одновременно закаливаемых деталей при
наличии достаточно мощных источников питания. На
11*
163
Рис. 3 27. Внешние ^иды индукторов.
рис. 3.28, а—в показаны эскизы индукторов соответст-
венно для закалки внутренних цилиндрических поверх-
ностей (для улучшения КПД индуктора применяются
магнитопроводы), для одновременной закалки двух ва-
164
Рис. 3.28. Эскизы индукторов для нагрева под индукционную по-
верхностную закалку.
ликов (двухместный) и для закалки шеек коленчатых
валов (разъемный), активный виток у которого состоит
из нескольких частей.
Для закалки деталей прямоугольного или квадрат-
ного сечений витки ивдуктора обычно выполняют по
форме детали; при нагреве плоских поверхностей витки
индуктора сгибают в плоскую спираль по кругу или
прямоугольнику (рис. 3.29,а, б). Часто индукторы вы-
полняют одновитковыми с шириной активной части ин-
дуктора, равной ширине закаливаемой зоны. При больших
длинах закаливаемой поверхности могут применять-
ся многовитковые индукторы с последующим охлажде-
нием детали в специальном охладительном устройстве.
Рис. 3.29. Эскизы индукторов для нагрева плоских деталей.
а — прямоугольно-многовитковый; б — зигзагообразный.
165
/
При нагреве внутренних поверхностей цилиндрических
деталей или плоских тел ддй повышения КПД индукто-
ра применяют магнитопроводы из электротехнической
стали.
При выборе частоты необходимо учитывать толщи-
ну (или диаметр) детали. Существует следующее соот-
ношение между диаметром детали do, мм, и частотой
тока f, Гц:
f«(l-f-2)-10’/d§.	(3.23)
Обычно глубина закаленного слоя zK, мм, задается
в пределах
zK = (0,007-^0,15)	(3.24)
Время нагрева определяется нарастанием темпера-
туры в закаливаемой зоне до температуры выше крити-
ческой (на-диаграмме «железо — углерод») на 100—
200° С со скоростями 200—400° С/с в зоне магнитных
превращений, обеспечивающими поверхностный нагрев
слоя, подлежащего закалке, с последующим охлаждени-
ем этого слоя со скоростью охлаждения до 600—800° С/с
путем применения водяного душа или сброса детали
в охлаждающую среду. Удельная поверхностная мощ-.
ность Рпо» обычно находится в пределах (1,5—2,0) X
ХЮ* кВт/м2, поэтому мощность источника питания Рида»
кВт, равна;
РЛИ = (1,2<-1,3). 10* PTOBSB0„
где ЗПОв — поверхность закаливаемого слоя, м2.
Коэффициент 1,2—1,3 учитывает потери мощности в»
индукторе, закалочном трансформаторе, токоподводах.,
В качестве источников питания применяют машин-:
ные преобразователи серий ВПЧ и ОПЧ или тиристор-':
ные преобразователи серии ТПЧ. Если мощность источ-
ника недостаточна, то возможно параллельное подклю--:
чение источников или использование метода непрерывно-;
последовательной закалкр.
В [5, 7] приведены графики для ориентировочного
выбора времени нагрева, удельной поверхностной мощ-
ности при заданном диаметре детали и требуемой глуби-
не закаливаемого слоя. В табл. 3.3 даны частоты тока,
рекомендуемые толщины закаливаемых деталей и глу-
бины закаливаемого слоя.
166
$
Рис. 3.30. Макрошлифы деталей с индукционной поверхностной за-
калкой.
о — шейка коленчатого вала (продольный разрез); б —тормозной кулак (по-
перечный разрез но профилю кулака); а —обод маховика.
167
Т а б л и ц a 3.3. Глубина закаленного слоя и рекомендуемые толщина
(диаметр) деталей в зависимости от частоты питающего тока
Частота. Гц	Глубина закаленного слоя, мм	Рекомендуемая толщи- на деталей, мм
500	7—15	100—150
1000	3,5—10	70—100
2400	1,5—6,0	30—70
8000	1,2—4,0	20—50
70000	0,5—3,0	15—25
200000	0,3—1,5	10—15
500000	0,2—1,0	5—8
Закалка производится обычно с самоотпуском. Для
деталей сложной формы иногда применяют печной низ-
котемпературный отпуск для снятия внутренних напря-
жений во избежание трещинообразования.
Контроль качества термообработки закаленных де-
талей заключается в осмотре поверхности, проверке
магнитным способом отсутствия трещин, проверке твер-
дости твердомером Роквелла (HRC) и выборочном кон-
троле качества закалки путем изготовления макро- и
микрошлифов (резке подвергается одна деталь из пар-
тии в 100—1000 шт.). На рис. 3.30 приведены макро-
шлифы закаленных деталей.
3.13.	ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК
ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ И СХЕМЫ ИХ ПИТАНИЯ
Для термообработки деталей с применением индук-
ционного нагрева применяют специальные станки, пред-
назначенные для обработки только одного вида дета-
лей, или универсальные станки для обработки большой
номенклатуры деталей, имеющих устройства для закреп-
ления, передвижения детали в процессе нагрева и охлаж-
дения, а также средства для изменения параметров
электрического режима. *
Специальные станки устанавливают в линиях поточ-
ного производства деталей при крупном серийном про-
изводстве; они имеют большую производительность, по-
скольку все приспособления для загрузки, перемещения1
и выгрузки деталей рассчитаны только для данного ви-
да деталей (например, коленчатых валов или распреде-
лительных валов автомашины). Весь технологический
процесс термообработки автоматизирован, а электриче-
ский режим остается постоянным (поддерживается ре-
гулятором). Обычно в целях экономии рабочей площа-
ди цеха источники питания располагают в машинных
залах, в отдельных помещениях — подвальных или при-
строенных.
Станки питаются либо по схеме централизованного
питания (см. рис. 3.25), либо от индивидуального источ-
ника. Компенсирующие конденсаторные батареи во из-
бежание больших потерь в токоподводах от контурных
токов устанавливают в самом станке или рядом с ним
в специальном шкафу. В станках устанавливают и по-
нижающие закалочные трансформаторы, на выводы
вторичной обмотки которых закрепляют нагреватель-
ные индукторы. Понижающие трансформаторы применя-
ются для согласования параметров индуктора с пара-
метрами источника питания, поскольку напряжение ге-
нератора в несколько раз превышает напряжение на
индукторе. Преимуществами, например, индукционных
установок для газовой цементации являются большая
производительность, высокая эффективность нагрева и
поточный характер процесса. Скорость термообработки
в таких агрегатах в несколько раз выше, чем скорость
обработки в обычных цементационных печах с приме-
нением жидкого или газового топлива, а также в печах
сопротивления.
Универсальные станки применяют для отработки ре-
жимов на опытных образцах при проектировании специ-
ализированных станков и при обработке деталей мел-
кими сериями. Поскольку детали могут иметь различ-
ную форму закаливаемых поверхностей, для лучшей
настройки электрического режима, применяют универ-
сальные закалочные понижающие трансформаторы с
переменным коэффициентом трансформации.
На р’Ис. 3.31 приведена принципиальная электричес-
кая схема питания индукционного закалочного станка
от машинного преобразователя частоты. Помимо источ-
ника питания М—Г схема включает в себя силовой кон-
тактор К, закалочный трансформатор ТрЗ, на вторич-
ную обмотку которого включен индуктор И, компенси-
рующую конденсаторную батарею Ск, трансформаторы
напряжения и тока ТЙ и ITT, 2ТТ измерительные при-
боры (вольтметр V, ваттметр W, фазометр <р) и ампер-
169
Рис. 3.31. Принципиальная электрическая схема индукционной зака-
лочной установки;
М — приводной двигатель; Г — генератор; TH, ТТ — трансформаторы напря-
жения и тока; X —контактор; 1PM, 2РМ, ДОМ —реле тока; Р* — разрядник;
Л, V, W, ф — измерительные приборы; ТрЗ — закалочный трансформатор;
ОВГ — обмотка возбуждения генератора; РР — разрядный резистор; Рв — кон-
такты реле возбуждения; PC — регулируемое сопротивление.
метры тока генератора и тока возбуждения 1А, 2А, а
также реле максимального тока 1PM, 2РМ для защиты
источника питания от коротких замыканий и перегрузок.
В СССР выпускаются серийные закалочные установ-
ки мощностью в 100 и 200 кВт на частоту тока 2400 и
8000 Гц типов И31-100/2.4, И32-100/8, ИЗ 1-200/2,4 и
И32-200/8 с одним или двумя преобразователями часто*
ты типа ВПЧ-100 на частрту 2400 или 8000 Гц. Установ*
ки имеют блочное исполнение (в виде шкафов). Кор-
пуса всех блоков должны иметь надежное заземление»
а также механическую электроблокировку дйерец во из-
бежание попадания персонала под напряжение при экс-
плуатации установки. При* желании компоновка обору-
дования может быть изменена в соответствии с рабочим
местом и технологическим процессом обработки деталей.
Для питания индукционных установок для термооб-
работки деталей (нагрев под горячую деформацию ме-
талла, для поверхностной закалки и прочих процессов}'
в большинстве случаев используют электромашинныв
170
преобразователи частоты — приводной двигатель син-
хронного или асинхронного типа и генератор средней ча-
стоты индукторного типа. Двигатели питаются от трех-
фазной сети с частотой 50 Гц, напряжение^ 380, 660,
3000, 6000 и 10000 В. Машинные преобразователи мощ-
ностью 12—500 кВт типов ВПЧ и ОПЧ выпускаются од-
нокорпусными вертикального исполнения, а типов ОПЧ
мощностью 1500 и 2500 кВт — двухкорпусными горизон-
тального исполнения.
Промышленностью выпускаются также преобразова-
тели с применением тиристоров с преобразованием час-
тоты 50 Гц в 150—8000 Гц.
Схема тиристорного преобразователя частоты состо-
ит из выпрямителя, блока дросселей, преобразователя
(инвертора), цепей контроля и вспомогательных узлов
(реакторов, теплообменников и пр.). По способу воз-
буждения инверторы выполняются с независимым воз-
буждением (от задающего генератора) и с самовозбуж-
дением.
По мостовой схеме (рис. 3.32) выполнены инвертор-
ные блоки тиристорных преобразователей типов ТПЧ1
и ТПЧ-800-1/05. Тиристорные преобразователи могут
устойчиво работать как с изменением частоты в широ-
ком диапазоне (при самонастраивающемся колебатель-
ном контуре в соответствии с изменяющимися парамет-
рами нагрузки), так и при неизменной частоте (тип
СЧГ 1-2X800/1) с широким диапазоном изменения па-
раметров нагрузки в связи с изменением активного со-
Рис. 332. Принципиальная схема силовых цепей тиристорного пре-
образователя типа ТПЧ-800-1.
L — сглаживающий реактор; 5/7— блок пуска; ВА — выключатель автомати-
ческий; С — емкость; R — резистор; Р1 — контактор.
171
противления нагреваемого металла и его магнитных
свойств (для ферромагнитных деталей).
Преимуществами тиристорных преобразователей яв-
ляются отсутствие вращающихся масс, малые нагрузки
на фундамент и малое влияние коэффициента использо-
вания мощности на снижение КПД; КПД составляет
92—94% при полной нагрузке, а при 0,25 снижается
только на 1—2%. Кроме того, поскольку частота может
быть легко изменена в определенном диапазоне, нет не-
обходимости регулирования емкости для компенсации
реактивной мощности колебательного контура. Техниче-
ские характеристики тиристорных преобразователей при-
ведены в [18].
Для индукционного нагрева на высоких частотах
(50—5000 кГц) применяют ламповые генераторы мощ-
ностью от 3 до 500 кВт (для плавки, поверхностной за-
калки, сварки и пр.).
Основными элементами ламповых генераторов (рис.
3.33) являются: 1 — трехфазный силовой трансформа-
тор, повышающий напряжение с 220—380 до 6000—
9000 В; 2 — выпрямительный блок на тиратронах для
преобразования переменного тока в постоянный напря-
жением до 9000—15000 В; 3— генераторный блок с од-
ной или несколькими генераторными трехэлектродными
лампами, преобразующий энергию постоянного тока в
*
Рис. 3.33. Схема лампового генератора на частоте 60 кГц.
1 — блок питания; 2 — выпрямительный блок; 8 — блок генератора; 4 — нагру-
зочный блок; Тр — силовой повышающий трансформатор; В —вентили; £р —
катушка индуктивности (разделительная); Ср—разделительная емкость;
С1,М — емкости колебательного и нагрузочного контуров; — катушка ин-
дуктивности (короткозамкнутая); L j.— индуктивности контура связи и на-
грузочного контура; И — индуктор; Л г— генераторная лампа.
энергию электрических колебаний высокой частоты; 4—
колебательный контур, состоящий из воздушного транс*
форматора с нагревательным индуктором и конденса-
торной батареей. Почти все ламповые генераторы для
установок промышленного назначения работают по схе-
мам с самовозбуждением. Поэтому кроме перечисленных
обязательными являются элементы, относящиеся к воз-
буждению генератора и управлению его работой, а так-
же элементы для согласования нагрузки с параметрами
лампового генератора. Контур обратной сеточной связи
состоит из конденсаторов, резисторов и катушек связи,,
подающих напряжение обратной связи на сетку генера-
торной лампы. Имеются также катушка для регулиро-
вания мощности в нагрузке, стабилизаторы напряжения
накала и регулятор анодного напряжения, а также кон-
трольно-измерительная и коммутационная аппаратура в
измерительные приборы.
Мощные генераторные лампы охлаждаются водой.
Подача воды к анодному бачку лампы осуществляется
резиновыми шлангами, общая длина которых выбирается
из расчета 1 м шланга на 1 кВ напряжения *во избежа-
ние больших токов утечки и безопасности работы. Ти-
ратроны выпрямительного блока охлаждаются с по-
мощью вентиляторов, обеспечивающих циркуляцию воз-
духа. Все дверцы шкафов должны быть снабжены меха-
нической блокировкой, автоматически снимающей элек-
тропитание установки и производящей разряд конденса-
торов при открывании дверей во избежание попадания
под опасное напряжение работающего персонала. Все
металлические кожухи должны иметь защитное заземле-
ние;
Выпрямительный блок выполняется по трехфазной
мостовой схеме. В связи с наличием выпрямительного
блока и подачей на генераторные лампы постоянного на-
пряжения повышается КПД установки. Питание током
промышленной частоты допускается только в установ-
ках мощностью до 3—5 кВт.
Генераторы мощностью 25, 63 и 100 кВт на частоту
66 и 440 кГц изготавливаются в виде четырех шкафов-
блоков: трансформаторного, выпрямительного, генера-
торного и нагрузочного. Нагрузочный блок может
устанавливаться отдельно на расстоянии до 15 м и соеди-
няться с генераторным блоком высокочастотным кабе-
лем. Генераторные блоки собираются по двухконтурной
схеме с автотрансформаторной обратной связью. Для
регулирования мощности используется короткозамкну-
тая катушка. Наличие многоконтурной схемы объясня-
ется необходимостью согласования параметров нагрузки,
изменяющейся в процессе нагрева, с параметрами гене-
раторных ламп. В ламповых генераторах- мощностью
160 кВт н частотой 66 кГц (ВЧИЗ-160/0,66) используют-
ся две генераторные лампы ГУ-23А, работающие
параллельно.
3.14.	ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ УСТАНОВКИ
ДЛЯ НАГРЕВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ
Высокочастотные установки для нагрева диэлектри-
ков с использованием ламповых генераторов начали при-
меняться в нашей стране более 35 лет тому назад. Пер-
воначально выпускались установки только для нагрева
термопластичных материалов, затем их области приме-
нения расширились, увеличилась мощность установок,
расширился днапазон частот. Появились установки мощ-
ностью 63 кВт для сушки литейных стержней с произ-
водительностью до 800 кг/ч, разрабатывается генератор
мощностью 160 кВт для сушки вискозного шелка с су-
точной производительностью до 3,5 т.
Установки диэлектрического нагрева используются
для тепловой обработки полупроводников и диэлектри-
ков (сушки волокнистых материалов и лакокрасочных
поверхностей, пайки и сварки пластиков, варки плодов
и ягод, консервирования пищевых продуктов, биологи-
ческого прогрева тканей с различными целями, уничто-
жения вредителей в зерне и т. д.).
Выпускаемые в настоящее время отечественной про-
мышленностью установки ’для нагрева диэлектриков и
полупроводниковых материалов делятся по назначению
на четыре основные группы: для сварки термопластич-
ных материалов, для склеивания и сушки древесины,
для нагрева таблетированных пресс-порошков при
изготовлении изделий из пластмасс, установки общего
применения (для нагрева с различными целями разно-
образных изделий и материалов).
В последнее время появились новые области приме-
нения высокочастотного нагрева в поле конденсатора —
для вспенивания полистирола при изготовлении тепло-
изоляции холодильников, для процесса отверждения из-
174
делий из стеклопластиков и др. Производство установок
для нагрева диэлектриков с каждым годом увеличивает-
ся, и улучшается их качество. Новые установки исполь-
зуются в различных отраслях народного хозяйства: хи-
мической, строительной, легкой, пищевой, медицинского
оборудования и пр., так как с их применением значи-
тельно сокращается технологический цикл обработки
изделий, обеспечиваются поточное производство и эконо-
мия рабочих площадей, снижаются затраты сырья, улуч-
шаются санитарно-гигиенические условия труда.
Иногда для получения более высокой экономической
эффективности применяют комбинированный нагрев с
использованием тока промышленной частоты 50 Гц или
Других видов энергии и топлива (газа, пара), что позво-
ляет снизить общее количество высокочастотной энергии
без снижения производительности и качества обработки.
При высокочастотном нагреве для склейки, прессо-
вания или вулканизации теплота расходуется на нагрев
материала и частично — на его полимерные изменения.
При размораживании и плавлении теплота расходуется
как на нагрев, так и на плавление вещества, а при вы-
сокочастотной сушке — в основном на испарение влаги.
Для нагрева непроводящих материалов применяются
ламповые генераторы с частотой колебательного конту-
ра от 13,56 до 81 МГц (серийные установки); известны
установки, работающие в более широком диапазоне ча-
стот,— от 5,28 до 300 МГц. Для ультразвуковых и вы-
сокочастотных установок разрешается использовать не-
сколько определенных частот, поддержание которых ус-
танавливается в пределах ±1,0% во избежание радио-
помех, создаваемых промышленными установками.
Генераторы для нагрева диэлектриков и полупровод-
ников состоят в основном из тех же узлов, что и лампо-
вые генераторы для индукционного нагрева металличе-
ских изделий. Отличие заключается в том, что нагрузкой
является рабочий конденсатор, в котором находится на-
греваемый материал. На рис. 3.34, а показана схема ге-
нератора, в колебательный контур которого включен
конденсатор с нагреваемым материалом, при этом часто-
та колебательного контура лампового генератора, Гц,
определяется по формуле
.	(3.25)
175
Рис. 3.34. Принципиальная схема генератора для диэлектрического
нагрева (а) и схема замещения нагрузочного контура (б).
£р — разделительный дроссель; Ср — разделительная емкость; L — катушка
-свш; Сн— нагрузочная емкость; сопротивление катушки связи и соеди-
нительных проводов; — сопротивление нагрузки.
Так как в процессе нагрева емкость Сп (рис. 3.34, б)
« активное сопротивление Ra изменяются, изменяются и
эквивалентное сопротивление контура, а следовательно,
я режим работы генератора.
Для того чтобы генератор в течение всего режима
нагрева работал в неизменном диапазоне частот, нужно
поддерживать неизменным эквивалентное сопротивление
колебательного контура. Это достигается специальным
регулированием, получившим название согласования
нагрузки. На практике применяются разнообразные схе-
мы колебательной системы с обеспечением самовозбуж-
дения. Выбор схемы зависит главным образом от необ-
ходимой частоты автоколебаний и требований к ее ста-
бильности.
Одноконтурные схемы чаще всего используются для
генерирования колебаний с частотой до 1 МГц. В этих
схемах применяется, как правило, трансформаторная
или автотрансформаторная связь.
Более гибкими являются многоконтурные схемы
•автогенераторов. Они позволяют плавно и в широких
пределах регулировать эквивалентное сопротивление
контура без заметного падения его КПД. Однако эти
системы имеют несколько разонансных частот, в связи
с чем появляется возможность перехода работы генера-
тора с одной частоты на другую. Поэтому приходится
осуществлять обратную связь от вторичного контура с
''индуктивной связью между контурами. Плавное регули-
рование сопротивления нагрузки достигается за счет пе-
176
ремещения катушки L* внутри анодной катушки Lt
(см. рис. 3.33).	।
Отечественной промышленностью выпускаются се-
рийные установки с унифицированными узлами.
Для нагрева термореактивных пресс-материалов
предназначены установки ВЧД1-2.5/81 и ВЧД1-6.3/81
мощностью 2,5 и 6,3 кВт и производительностью до 20—
50 кг/ч. Они предназначены для совместной работы с
автоматическим и полуавтоматическим прессовым обо-
рудованием.
Для сварки термопластичных материалов выпуска-
ются установки 1СП1-4, имеющие пресс с размерами ра-
бочего стола 600X800 мм и пневматический привод,
максимальное усилие которого равно 20 кН. Генератор
имеет мощность 4 кВт и частоту рабочего тока 40,68 МГц.
Для склеивания древесины серийно выпускаются три
типа установок: ЛД1-10, ВЧД-2.5/13-ЗД, ВЧД-16/13, а
для склеивания деревянных брусьев—ВЧД-25/27 мощ-
ностью 25 кВт.
Установки общего применения имеют еще бблыпую
мощность и предназначены для нагрева материалов,
свойства которых мало изменяются в процессе термооб-
работки, или для работы в конвейерных линиях непре-
рывного действия. Эти установки выпускаются без тех-
нологических устройств, так как они должны быть скон-
струированы для специальной продукции с учетом
различных технологических особенностей.
Для сушки литейных стержней и другой аналогичной
продукции разработана установка ВЧД-63/27, имеющая
рабочую камеру проходного типа и ленточный конвейер.
Разрабатываются установки мощностью 160 кВт и более.
Все серийные установки снабжены экранировкой от
радиопомех, механической блокировкой дверец шкафов
и блоков для обеспечения безопасного обслуживания.
Кожухи установок должны иметь надежное заземление.
Все установки питаются от сетей промышленной часто-
ты 50 Гц, напряжением 380 В через повышающие трех-
фазные трансформаторы.
Для сварки упаковочной тары из поливинилхлорид-
ной пленки разработана установка ВЧД-0,4/40 мощно-
стью 0,4 кВт, частотой 40 МГц, а для формования тары
из пенополистирола — установка мощностью 60 кВт.
Имеются и другие установки, предназначенные для
прогрева тканей, сушки пряжи, кожи, картона, для кон-
12—859	- .	177
сервдроаания продуктов, выпечки кондитерских изделий
и т. п.
Внедрение новых и использование серийных устано-
вок в промышленности способствуют увеличению произ-
водительности и улучшению качества выпускаемых изде-
лий, что является непременным условием технического
прогресса.
3.15.	ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСТАНОВОК
С ЛАМПОВЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
Поскольку установки с ламповыми генераторами работают при
высоком напряжении (5—15 кВ) на повышающем трансформаторе и
на выпрямительном и генераторном блоках, вопросам техники без-
опасности должно быть уделено особое внимание. Непременными ус-
ловиями при конструировании и эксплуатации установок являются:
выполнение надежного заземления всех кожухов блоков; устройство
механических блокировок всех дверец; при наличии смотровых сте-
кол в кожухах блоков покрытие металлическими сетками стекол
во избежание прикосновения к токоведущим элементам и приборам
при случайном растрескивании стекол и их выпадении. Должно быть
предусмотрено устройство, контролирующее расход охлаждающей
воды и автоматически выключающее установку при прекращении
подачи воды или перегреве ее свыше допустимой температуры (50—
60° С), а также релейная защита, выключающая установку при пе-
ренапряжениях, токовых перегрузках и коротких замыканиях.
Для подавления радиопомех, создаваемых высокочастотной уста-
новкой, применяют экранирование и фильтрацию высокочастотных
колебаний, что препятствует проникновению токов высокой частоты
в электрическую сеть. Экранирование может быть общим для всей
установки или поблочным. В первом случае вся установка вместе
с колебательным контуром помещается в экранированной комнате
или кабине. Экранирование заключается в покрытии стен, пола и по-
толка листовой сталью толщиной 0,5—1 мм нли листовой латунью
толщиной 0,5—0,8 мм. Экран должен представлять собой одно целое
в отношении электрического контакта и иметь надежное заземление.
Окна и вентиляционные проемы экранируются металлическими сет-
ками, пропускающими свет и воздух.
Для уменьшения проникновения высокочастотных колебаний в
питающую электросеть применяют специально сконструированные се-
тевые фильтры, состоящие из катушек со стальными сердечниками и
безындуктивными конденсаторами, включенными по Г-обр азной двух-
звенной схеме. Рабочее напряжение фильтра должно быть равно на-
пряжению сети, а рабочий ток должен соответствовать мощности
установки. Допустимое падение напряжения в фильтре — не более
5%. Сетевой фильтр обычно помещают с внешней стороны экраниро-
ванной комнаты. Экранированные комнаты имеет смысл делать в слу-
чае размещения в них нескольких установок.
В современных серийных высокочастотных установках применяет-
ся поблочное экранирование, что позволяет размещать блоки уста-
178
новой в любом месте производственного цеха (участка) и защищать
рабочий персонал от действия высокочастотного поля. В этом случае
экранируются все блоки высокочастотной установки, включая рабо-
чий (нагрузочный) контур с нагревательным устройством. Сетевой
фильтр монтируется в "кожухе входного блока установки. Такне уста-
новки носят название выполненных в помехозащищенном исполне-
нии, т. е. при эксплуатации эти установки не дают радиопомех выше
допустимого уровня. Металлические кожухи блоков установки имеют
надежное заземление. Нагревательное устройство (или рабочий кон-
денсатор для термообработки полупроводников и диэлектриков) в
случае их больших размеров помещают в отдельной экранированной
камере. Питание от установки к-рабочему контуру подается экрани-
рованным, чаще, .всего коаксиальным кабелем, экран которого присо-
единяется к экранам установки и рабочей камеры.
В мощных установках с многообъемными маслонаполненными
силовыми повышающими трансформаторами предусматривается мас-
лосточная яма, расположенная под трансформатором и покрытая ме-
таллической сеткой со слоем* песка и гравия на ней.
При обслуживании лампового генератора и высокочастотных на-
гревательных устройств должны строго выполняться правила техни-
ки безопасности, разработанные для высоковольтных устройств про-
мышленной частоты, и соблюдаться мероприятия по предохранению
обслуживающего персонала от случайного прикосновения к токове-
дущнм шинопроводам и приборам, находящимся под высоким на-
пряжением как промышленной, так и высокой частоты. Несоблюде-
ние этих правил может привести к ожогам и смертельным случаям.
Эксплуатация генератора разрешается только при полной его нс-г
правности.
Наладка генератора должна производиться не менее чем двумя
лицами, имеющими соответствующие практические навыки и теоре-
тическую подготовку. Работа в ночные» часы должна проводиться
только при наличии двух рабочих (термиста и электрика), хорошо
знающих правила техники безопасности при работе на данной уста-
новке и умеющими оказать первую помощь при поражении электри-
ческим током.
Ремонтные и монтажные работы внутри блоков генератора или
в помещении ввода высокого напряжения промышленной частоты
разрешаются только после полного выключения питания установки и
заземления всех токоведущих частей. Перед началом работ необходи-
мо убедиться в отсутствии напряжения на токоведущих элементах с
помощью индикатора. На время работ в местах возможного включе-
ния напряжения должны вывешиваться предупредительные надписи
и плакаты. Вблизи установок должны находиться все необходимые
защитные приспособления (индикаторы высокого напряжения, рези-
новые коврнки, галоши и перчатки, изолирующие штанги, закорачи-
вающие перемычки и предупредительные плакаты), а также принци-
пиальные и монтажные схемы, схемы водфохлаждения, инструкции по
эксплуатации установки и «средства для оказания первой по-
мощи.
Высокочастотные шинопроводы должны быть расположены на
недоступной для прикосновения высоте или иметь защитное ограж-
дение с заземлением, так как прикосновение к высокочастотным про-
водам высокого напряжения грозит сильным ожогом. Резиновые пер-
чатки и галоши, защитная одежда не могут предохранить от ожогов
токами высокой частоты.	’ *
12*
179
Необходимо следить за накалом ламп (промышленные установки
обычно снабжены стабилизаторами напряжения цепей накала ламп).
Подача охлаждающей воды после выключения цепей накала во
всех элементах установки прекращается не менее чем через 5—
10 мин.
, Вся система водяного охлаждения должна периодически очи-
щаться от накипи и грязи. Анодные бачки очищают металлической
щеткой и промывают проточной водой.
Проверяются и очищаются также подводящие и отводящие нип-
пели; стеклянные трубки и резиновые шланги. Поскольку анодные
бачки находятся под напряжением до 8—13 кВ, длина подводящих и
отводящих шлангов должна быть не менее одного метра на каждые
1000 В напряжения, чтобы было обеспечено достаточное электриче-
ское сопротивление столба воды во избежание утечки тока и пробоя.
Тиратроны, включаемые впервые или после длительного хране-
ния, должны быть предварительно оттренированы путем прогрева ни-
тей накала *в течение длительного времени, указанного в паспорте,
без включения высокого напряжения, а затем выдержаны при высо-
ком напряжении без тока нахрузки.
Глава четвертая
ДУГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ
4.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Общие сведения об .электрической ду,?. Электриче-
ская дуга была открыта в 1803 г. В. В. Петровым. Он
получил ее от большой смонтированной им гальваниче-
ской батареи. Петров показал, что в дуге развивается
очень высокая температура и в дуге можно плавить лю-
бые вещества, в частности металлы, и даже восстанав-
ливать их из окислов, нагревая в присутствии углероди-
стых восстановителей. Кроме того, ему удалось получить
сваривание металлов в электрической дуге.
Электрическая дуга является одним из видов элект-
рического разряда в газе или в парах. Она характери-
зуется малым катодным падением напряжения (10—
20 В) и высокой плотностью тока, которая может дости-
гать сотен и тысяч ампер на 1 см2. Неионизированные
газы и пары, состоящие из нейтральных частиц, не про-
водят электрический ток. В дуговом разряде газ сильно
ионизирован, в нем присутствуют положительно заря-
женные ионы и отрицательно заряженные свободные
электроны. При наложении электрического поля на ду-
говой промежуток заряженные частицы под его действием
130
двигаются: положительные ионы—к катоду, а электроны
к аноду, обусловливая протекание тока через дуговой про-
межуток. Указанные свойства дугового разряда объяс-
няются наличием в нем мощных источников ионизации.
Ионизация газа происходит в результате удаления из
нейтральных частиц одного или нескольких электронов.
Это удаление требует затраты энергии извне на преодо-
ление кулоиовых сил притяжения между электроном и
положительно заряженным ионом. • Энергия, затрачива-
емая на ионизацию, различна для разных газов; она
равна произведению заряда электрона на потенциал
ионизации газа и для наиболее слабо связанных с мо-
лекулой электронов находятся в пределах 4—25 эВ.
Легко ионизируются пары щелочных металлов (4—5эВ);
у паров других металлов энергия ионизации больше
(7—8 эВ), у инертных газов она еше больше (15—25эВ).
Для удаления у однократно заряженного иона второго
электрона требуется весьма большая энергия (около
50 эВ).
В дуговом разряде одним из основных путей иониза-
ции газа является соударение частиц, вызванное их ин-
тенсивным тепловым движением. Такая термическая
ионизация может иметь существенное значение только
при очень высоких температурах в столбе дуги, где тем-
пература достигает 6000, 8000 К и более. При этих тем-
пературах пары большинства металлов в зиаоительнпй
степени ионизированы; пары газов для существенной
термической ионизации требуют более высоких темпе-
ратур (15 000 К и выше).
Вторым источником (ионизация • ударом) является
столкновение электрона, ускоряющего свое движение к
аноду под действием электрического поля, с нейтральной
частицей. В результате такого удара, если энергия элек-
трона достаточно велика, из нейтральной частицы выби-
вается внешний электрон, и частица превращается в по-
ложительно заряженный ион. При определенных усло-
виях электрон может быть выбит из нейтральной
частицы и при ее столкновении с летящим по направ-
лению к катоду положительным ионом.
Одновременно с процессами ионизации в столбе*дуги
происходят процессы деионизации: рекомбинация заря-
женных частиц (объединение электрона и положитель-
ного иона в нейтральную ,частицу) и диффузия заряжен-
ных частиц за пределы дуги в окружающее пространство.
181
в результате их теплового движения. Совместное проте-
кание процессов ионизации и деионизации определяет
установившееся значение тока дуги.
Дуговой разряд по длине можно подразделить на три
области: среднюю—столб дуги, прикатодную и прианод-
ную области. В столбе дуги потенциал растет линейно
по направлению от одного конца к другому; в приэлект-
родных областях, протяженность которых весьма мала
(порядка 10-s см), он изменяется скачком. Между тем
эти приэлектродные области, в первую очередь прика-
тодная, образуют те потоки заряженных частиц, которые
в столбе дуги ионизируют газ. Под действием бомбарди-
рующих катод ионов он разогревается и находящиеся в
нем, как во всяком металле, свободные электроны полу-
чают такие скорости теплового движения, что оказыва-
ются в состоянии преодолеть потенциальный барьер у
поверхности катода и выйти в дуговой промежуток,- где
они ускоряются электрическим полем и при столкнове-
нии с нейтральными частицами ионизируют их толчком.
Такая термоэлектронная эмиссия требует высокой тем-
пературы катода (более 2000 К), поэтому она возможна
лишь тогда, когда катод выполнен из тугоплавкого мате-
риала. Катод из менее тугоплавкого материала интен-
сивно испаряется, и электроны выходят из окружающего
катод раскаленного облака пара.
На нагрев и испарение материала катода затрачи-
вается энергия (работа выхода), которая приблизитель-
но в 2—3 раза меньше работы первичной ионизации ма-
териала. Таким образом, в прикатодной области имеют
место два встречных потока: вышедшие из катода элект-
роны и движущиеся им навстречу ионы, образованные
столкновением электронов с молекулами за пределом
прикатодной области. А так как электроны намного под-
вижнее ионов, то последних в прикатодной области ока-
зывается больше, чем электронов, они образуют у като-
да объемный положительный заряд, который и вызыва-
ет прикатодный скачок потенциала. Аналогичная кар-
тина имеет место и в прианоДной области.
Если дуговой разряд горит при атмосферном (или
высоком) давлении, то дуга имеет определенный попе-
речный размер, ее столб резко отграничен от окружаю-
щего пространства. На катоде и аноде имеются катод-
ные и анодные пятна, на которые опирается дуга. Эти
пятна имеют высокую температуру, плотность тока в
182
них достигает несколько тысяч А/см2 на катоде и не-
сколько сотен А/см2 на аноде.
При пониженных давлениях дуга расплывается, ста-
новится диффузной, заполняет весь промежуток между
элекродами; катодное пятно распадается на несколько
пятен, быстро перемещающихся по поверхности катода.
Зависимость между напряжением дуги и ее током
называют вольт-амперной характеристикой дуги. При
малых токах вольт-амперная характеристика имеет
падающий характер, т. е. падение напряжения на дуге
С/д, В, с увеличением тока /д, А, уменьшается (сопротив-
ление дуги уменьшается быстрее, чем увеличивается ток»
рис. 4.1). Такая характеристика может быть выражена
уравнением Айртон:
С/д = а + р/ + ^,	(4.1>
‘v.
где а, 0, у и б — постоянные, зависящие от материала
электродов, состава газа и условий охлаждения дуги;
I — длина дуги.
При больших токах напряжение на дуге не зависит
от тока и. третий член выражения (4.1) становится исче-
зающе малым, т. е. выражение может быть заменено на
С/д = а + 0/.	(4.2>
Для интенсивно охлаждаемых дуг (плазменные ду-
ги), а также для дуг, горящих при низких давлениях,
вольт-амперная характеристика имеет слегка возраста-
ющий характер.
В (4.2) а представляет собой сумму катодного' и
анодного падений напряжения, не зависящую от тока и
длины дуги, р — градиент потенциала в столбе дуги»
р/ — падение напряжения в столбе дуги, пропорциональ-
ное его длине.
Из (4.1) и 4.2) следует, что дуга может гореть устой-
чиво от источника постоянного напряжения, только если
Рис. 4 1 Вольт-амперная характери-
стика дуги постоянного тока АА'—
малые токи [выражение (4.1)]; А’А"—
большие токи [выражение (4.2)].
18»

О.)
Рис. 4.2. Способы регулирования режима дуги.
а — схема цепи дуги с активным балластным сопротивлением; б — методы ре-
гулирования тока дуги путем изменения ее длины, напряжения источника пи-
тания и балластного сопротивления.
в цепь последовательно с ней включено некоторое до-
бавочное сопротивление R (рис. 4.2, а). Точка устойчиво-
го горения дуги определяется в этом случае пересечени-
ем вольт-амперной характеристики ДА с линией УИст, х—
—1ЛЯ (точка Л1 рис. 4.2,6). Из рис. 4.2 следует, что су-
ществуют три возможности регулирования режима дуги:
1)	путем перехода на другую вольт-амперную харак-
теристику дуги, например при увеличении длины дуги
работая точка перейдет с характеристики АА на харак-
теристику ВВ, при этом точка устойчивого горения пе-
рейдет из Ai и Bi, а ток уменьшится от Iai до Ibi- На-
оборот, при укорочении дуги ее характеристика пойдет
ниже, и ток дуги увеличится;
2)	путем изменения напряжения источника питания,
например при уменьшении напряжения УИст,х до Уист.х
точка Ai перейдет в А% и ток уменьшится до 1а£,
3)	путем изменения сопротивления /?; в этом случае
линия Уист, х—/дЯ начнет поворачиваться вокруг точки
С, точка Ai перейдет в Аз, ток уменьшится’ до 1лз- Пер-
вые два способа, как мы дальше увидим, широко исполь-
зуются для регулирования режима дуговых установок;
третий способ практически не применяют ввиду его не-
экономичности.	;
До начала горения дуги промежуток между электро-
дами не ионизирован и ток через него не протекает. Для
первичной ионизации промежутка нужно подать на него
напряжение пробоя, в десятки или даже сотни раз пре-
вышающее напряжение горения дуги. Вместо этого
184
обычно для зажигания дуги производят сближение элек-
тродов до их контакта, а затем их разводят. При кон-
такте электродов через них протекает ток короткого за-
мыкания, который их разогревает, и поэтому при их
разведении в ионизированном нагретыми электродами
промежутке возникает дуга.
Все вышеизложенное касалось дуги постоянного тока. При пи-
тании дуги переменным током условия ее горения существенно меня-
ются, так как дуга дважды в течение периода гаснет и вновь зажи-
гается. Поэтому при переменном токе статическая характеристика
дуги не имеет смысла, можно лишь говорить о связи действующих
значений напряжения и тока для времени, намного превышающего
длительность одного периода. Условия горения дуги переменного то
ка характеризуют динамические вольт-амперные характеристики,
охватывающие время одного полупериода. На рис. 4.3 даны динами-
ческие характеристики дуги переменного тока. Маломощная дуга на
воздухе (рис. 4.3, а) интенсивно охлаждается, поэтому ток в ней про-
текает с перерывами, и она характеризуется пиками напряжения за-
Рис. 4.3. Осциллограммы и динамические характеристики дуг пере-
менного тока.
185
Рис. 4.4. Осциллограммы дуг переменного тока.
жигании и переменным напряжением, которое меняется с изменением
тока. Мощная теплоизолированная дуга (ряс. 4.3, б) имеет меньшие
перерывы тока, пики зажигания отсутствуют, напряжение в период
горения дуги неизменно. Наконец, мощная хорошо теплоизолирован-
ная дуга с последовательно включенным активным сопротивлением
<рис. 4.3, а) имеет динамическую характеристику в виде наклонной
прямой, а осциллограммы тока и напряжения близки к синусои-
дальным.
На форму кривых тока и напряжения дуги сильно влияют пара-
метры ее электрического контура и в, частности, его индуктивность.
При отсутствии индуктивности (чисто активное сопротивление кон-
тура), как уже отмечалось, ток дуги 1Я дважды прерывается за по-
лупериод (рис. 4.4,а), так как дуга может гореть лишь в тот отре-
зок времени, когда напряжение источника £/Нст больше напряжения,
требуемого для поддержания горения дуги U*. При наличии в цепи
индуктивности между током и напряжением источника появляется
сдвиг фаз, при переходе тока через нуль напряжение источника не
равно нулю, и при достаточной индуктивности может произойти по-
вторное зажигание дуги (без перерыва) (рис. 4.4,6). При переходе
напряжения источника через нуль напряжение на дуге поддержива-
ется за счет накопленной в индуктивности электромагнитной энер-
гии, препятствующей резкому уменьшению тока. В результате имеет
место непрерывное протекание тока дуги в течение всего полуперио-
да. Такое непрерывное горение дуги более устойчиво; расчеты пока-
зывают, что оно имеет место при коэффициенте мощности установки,
-равном или меньшем 0,85.
•	1
4.2.	ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Выплавка стали в дуговых печах. Сталь—основной и наиболее
массовый материал, на котором базируется техника. Большую часть
«стали получают из вторичного сырья — скрапа (стального лома). Од-
шако лома не хватает (количество потребляемой стали все время
растет), и к нему добавляют некоторое количество чугуна или
превращают непосредственно чугун в сталь путем выжигания в нем
углерода в конверторах. Для того чтобы разнородный лом, содержа-
щий ржавчину, разное содержание углерода, марганца, кремния,
хрома, серы и фосфора (последних много в чугуне, в него они пере-
ходят из кокса в доменной печи), превратить в сталь заданной мар-
ки, необходимо его не только расплавить, но и очистить от вредных
186
примесей и добавить в нужном количестве полезные составляющие»
Очистку расплавленной стали от углерода, фосфора и примесей
некоторых металлов осуществляют их окислением за счет содержа-
щихся в ломе окислов железа (ржавчины); если ее недостаточно, то
в жидкую ванну добавляют железную руду (по расчету) или проду-
вают ее кислородом. Углерод соединяется с кислородом и выделяет-
ся из ванны в виде пузырьков окиси углерода (ванна <кипит>).
Фосфор и другие металлы также окисляются и в виде окислов под-
нимаются к поверхности ванны. На эту поверхность наводят извест-
ковый шлак, вступающий в соединение с фосфором и связывающий
его. Этот период плавки носит название окисления, он проходит при
сравнительно низких температурах металла, ненамного превышающих
его температуру плавления. Все реакции окисления экзотермичны,
т. е. проходят с выделением теплоты.
Следующий этап — удаление из стали серы. Для этого сначала
удаляют с поверхности ванны загрязненный фосфором шлак (чтобы
в последующем он не вернулся обратно в металл) и наводят новый
известковый шлак, в который сера из металла будет переходить диф-
фузией. Для этого необходимо, чтобы металл был перегрет (реак-
ции связывания серы шлаком — эндотермичны, т. е. проходят с по-
глощением теплоты) и раскислен. Раскисляют металл, забрасывая
в ванну различные раскислители. Период удаления серы нз металла
носит название периода рафинирования. К концу его в ванну добав-
ляют легирующие, т. е. полезные составляющие, которые, раство-
ряясь в ней, доводят состав металла до заданного.
Описанный процесс называют основным, так как в нем исполь-
зуются основные — известковые шлаки, поэтому и футеровка печи
должна быть из основного материала (магнезита). Выплавку стали
основным процессом: можно проводить в мартеновской или в дуго-
вой сталеплавильной печи. В последней получается сталь более высо-
кого качества, так как дуговая печь может быть довольно хорошо
герметизирована, сгорающие графитовые электроды поддерживают в
ней восстановительный характер атмосферы, что позволяет полно-
стью раскислить металл, тогда как в мартеновской печи поддержива-
ется окислительная атмосфера (иначе не будет сгорать топливо).
Кроме того, дуговая печь представляет собой более гибкий агрегат,
в котором легко управлять выделяемой мощностью. Поэтому наи-
более ответственные сорта стали, требующие тщательной очистки,
или высоколегированные, такие, как шарикоподшипниковая, электро-
техническая, инструментальная, нержавеющая, жароупорная, выплав-
ляют в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). В настоящее время
в СССР около 10% вырабатываемой стали получают в ДСП. В связи
с тем что мартеновские печи вытесняются кислородными конвертора-
ми, в которых выплавляют сталь примерно такого же качеству, но
более дешевую, объем производимой электростали должен резко
возрасти. Кислородный конвертор работает на жидком чугуне и мо-
жет утилизировать лишь 20—25% лома в садке. Поэтому часть ло-
ма не может быть использована в конверторах и должна быть пере-
плавлена в ДСП. Это предполагает в будущем резкое увеличение
выплавки электростали (примерно вдвое за ближайшие 10 лет). Та-
кое количество дорогих высоколегированных сталей превышает на-
роднохозяйственную потребность в них, поэтому в ДСП будут вы-
плавлять и обычные (углеродистые) стали. Так как последние вы-
плавляются в больших количествах, для них целесообразно строить
печи большой емкости.
При выплавке углеродистых сталей время рафинирования суще-
ственно меньше, чем при выплавке легированных сталей. Кроме того»
В последние годы наметилась тенденция по переводу части операций
рафинирования из ДСП в обогреваемый ковш с применением для этих
целей синтетических шлаков и вакуума. Это еще более сокращает
время рафинирования, и ДСП превращается в основном в агрегат
для расплавления шихты. А так как во время расплавления мощ-
ность печн используется наиболее полно, то оказывается целесооб-
разным повышение ее номинальных значений. Такие ДСП с повышен-
ной номинальной мощностью получили название печей сверхвысокой
мощности; их удельная мощность составляет 400—500 кВ-А/т (у пе-
чей емкостью 50 т и выше) против 200—250 кВ-А/т у печей прежней
серии.
Но в ДСП производится не только выплавка стали на слиток;
машиностроению требуется большое количество фасонного стального
литья (основные его потребители—автомобильная и тракторная
промышленность). При выплавке фасонного литья металл необходимо
перегревать» чтобы он был жидкотекучим и при заливке мелких форм
хорошо заполнял их полости. Легче всего это сделать в ДСП; кроме
того, ДСП является сравнительно гибким агрегатом, приспособлен-
ным к выдаче стали мелкими порцнями. Поэтому в сталелитейных
цехах отечественных заводов установлены сотки ДСП сравнительно
небольшой емкости (5—10 т) мощностью 2000—5000 кВ*А. В послед-
нее время предельная емкость ДСП для фасонного литья увеличива-
ется, что необходимо для отливки крупных деталей.
Конструкция и режим работы ДСП. Дуговые стале-
плавильные печи работают на трехфазном токе частотой
50 Гц. Они имеют чашеобразную форму; стенки печи вы-
полнены из огнеупорного кирпича — магнезитового, если
применяется основной шлак, и динасового, если шлак
кислый (некоторые печи для фасонного литья) (рис. 4.5).
Дно ванны печи выполняют набивным из огнеупорного
порошка, смешанного с каменноугольной смолой или
жидким стеклом, чтобы создать слой, не проницаемый для
жидкого металла. Сверху печь перекрывается сферичес-
ким огнеупорным сводом с тремя расположенными по
вершинам правильного треугольника отверстиями, через
которые в печь входят три графитовых электрода. Элек-
троды зажаты в бронзовых или стальных электрододержа-
телях, рукава которых закреплены на стойках, могущих
перемещаться вверх и вниз в направляющих при помо-
щи электродвигателей или Гидравлических механизмов.
Ток подводится к электрододержателям от специального
трехфазного понижающего трансформатора с помощью
медных шин, трубошин и гибких кабелей. Дуги горят
между концами электродов и металлом ванны, который
электрически является нулем трехфазной звезды нагруз-
ки. Перемещением электродов вверх и вниз можно регу-
лировать длину дуги-, а с ней ток и мощность каждой
фазы печи, устраняя колебания тока, короткие замыка*
ния и обрывы дуги. Кроме того, для регулирования ре-
жима печи применяют изменение питающего печь напря-
жения, для чего обмотка электропечного трансформатора
снабжается большим числом отводов. Переключение с
одной ступени напряжения на другую на печах неболь-
шой емкости производят при выключенном трансформа-
торе, а на мощных печах — с помощью специального пе-
реключателя ступеней без отключения печи от сети.
Футеровка печи находится в прочном стальном кожу-
хе, в котором прорезаны одно рабочее окно, прикрывае-
мое подъемной дверцей, и отверстие для летки со слив-
ным носком, через которое производят по окончании
плавки слив металла в ковш. Рабочее окно служит для
Наблюдения за состоянием ванны и футеровки, для за-
правки (исправления) подины и стен, для заброса в печь
образующих шлак материалов и легирующих добавок и
взятия пробы металла. Кроме того, через рабочее окно,
находящееся против сливного носка, осуществляют ска-
чивание шлака в шлаковницу, при этом печь наклоняют
в сторону окна.
К нижним конструкциям печи прикреплена шахта с
направляющими роликами, в-которых перемещаются
вертикально стойки печи, несущие электрододержатели
с зажатыми в них электродами. Внизу кожух печи поко-
ится на двух секторах, которыми он опирается на гори-
зонтальные площадки или систему роликов. Механизм
наклона печи осуществляет качение секторов по площад-
кам или роликам, тем самым наклоняя всю печь со стой-
ками и электродами на 40—45° в сторону слива металла
в ковш и на 15° в сторону рабочего окна (при скачива-
нии шлака). Привод механизма наклона печи может
быть электромеханическим или гидравлическим.
Для загрузки печи свод ее приподнимают И отвора-
чивают вместе с электродами специальными механизма-
ми в сторону, оставляя ванну печи открытой. Шихту за-
гружают в загрузочную бадью, она устанавливается
краном над печью, дно бадьи раскрывается, и шихта па-
дает в печь.
Круйные ДСП снабжают устройствами для электро-
магнитного перемешивания металла в ванне. Для этой
цели под дном печи (днище выполняется п(5и этом из не-
магнитной стали) устанавливают статор, создающий бе-
19»
гущее магнитное поле. Увлекаемый полем металл пере-
мешивается, что обеспечивает выравнивание состава и
температуры ванны. Кроме того, вызванное устройством
движение верхнего слоя металла в сторону рабочего ок-
на облегчает скачивание шлака. Для увеличения глуби-
ны проникновения магнитного поля в металл и увеличе-
ния эффективности движения последнего статор питают
током пониженной частоты .(0,4—0,6 Гц) от специального
Ряс. 4.5. Мощная дуговая сталеплавильная печь.
а — конструкция печи (1, 7— приводы механизма наклона; 2 —кожух; 3 —
футеровка; 4 — сводовое кольцо; 5 — футеровка свода; 6 — поворотный портал
для подъема и отворота свода; 8 —опорная площадка с секторами наклона)!
о —футеровка печи (/ — магнезитовая кладка подины; 2 — магнезитовая на*
бивка; 8 — шамотная кладка летки; 4 — набивные стены; 5 — свод; б — песоч-
ный затвор; 7 —охлаждаемая арка рабочего окна; 8 — механизм Чюдъема
«вода; 9 — балки качения секторов печи; 10 — сливной носок; 11 — механизм
перемещения электродов).
ню
191
электромашинного или полупроводникового преобразо-
вателя. Таким образом, ДСП является большим и слож-
ным плавильным агрегатом, снабженным рядом меха-
низмов и быстродействующей системой автоматического
регулирования электрического режима.
Первым периодом плавки является расплавление
шихты. Электроды опускают, они касаются шихты и при-
поднимаются; между их концами и металлом зажигают-
ся дуги. Металл под электродами нагревается, начинает
плавиться и каплями стекать на дно ванны. В шихте об-
разуется выемка, а затем «колодец», в который по мере
его проплавления опускается электрод. Этот процесс
длится, пока электрод не доходит до лужи расплавленно-
го металла на подине; затем шихта стенок колодцев на-
чинает подплавляться, колодцы расширяются, уровень
расплавленного металла в ванне, а с ним и электроды
начинают подниматься, пока вся шихта не расплавится.
Это очень беспокойный, неустойчивый период плавки,
так как Окруженная холодной шихтой дуга очень коротка
(2—3 см) и неустойчива, подплавляемые дугой стенки
колодцев обрушиваются, падают на электрод и вызыва-
ют короткие замыкания. В то же время период расплав-
ления желательно провести как можно быстрее, на мак-
симальной мощности, так как от времени расплавления
зависит ка« производительность ДСП, так и ее КПД.
Этот период можно проводить на максимальном Напря-
жении, так как дуги окружены холодным металлом, за-
щищающим футеровку стен и свода от их излучения.
В период окисления металл расплавлен и покрыт
шлаком, дуга длиннее (5—10 см),-режим спокойнее, но
излучение дуг на футеровку больше, и поэтому приходит-
ся снижать мощность и напряжение на 15—20%.
В период рафинирования металл и стены очень горя-
чие, дуги еще более удлиняются (до 20—30 см) и сильно
излучают теплоту на футеровку, которая нагревается до
предельной для материала температуры, поэтому напри-,
жение снижают до 50—60% номинального. Потребность
в энергии также сильно падает, мощность печи снижают
до 30—50% номинальной. *
* Из изложенного следует, что необходимо иметь воз-
можность регулировать в широких пределах мощность
печи и ее напряжение, а ее электрооборудование должно
выдерживать частые короткие замыкания и толчки на-
грузки.
192
Кроме того, следует отметить, что ДСП является
крупным и весьма неприятным для энергосистемы потре-
бителем. Она, как правило, работает с низким коэффи-
циентом мощности (0,8—0,7); дуга генерирует высоко-
частотные колебания, нежелательные для других потре-
бителей; мощность, потребляемая из сети, меняется в
течение плавки в широких пределах; электрический ре-
жим печи, особенно в начальный период, беспокоен, с
частыми короткими замыканиями и обрывами дуги.
На рис. 4.6 показана схема питания ДСП. Так как на-
пряжение питания печи при ее работе требуется изменять
в довольно широких пределах, каждую печь снабжают
своим регулируемым электропечным трансформатором,
имеющим несколько ступеней вторичного напряжения.
Элёктропечной трансформатор является одновременно и
понижающим, так как питание малых печей осуществля-
ется от подстанций 6—10 кВ, а крупных—35 и даже
НО кВ. Так как дуговые печи, мощность которых дости-
гает нескольких десятков тысяч киловатт,- работают при
сравнительно низких напряжениях и больших токах,
электропечные трансформаторы располагают возможно
ближе к печам. Поэтому в сталеплавильных цехах с ду-
говыми печами рядом с последними строят внутрицехо-
вые подстанции, в которых располагают трансформаторы
и остальное электрооборудование.
В дуговой печи короткое замыкание (КЗ) электродов
на металл — нормальное эксплуатационное явление; в
период расплавления число КЗ доходит до 5—10 в мину-
ту. Поэтому необходимо ограничить ток КЗ приемлемым
для надежной работы электрооборудования значением.
Обычно стараются, чтобы кратность тока КЗ к номиналь-
ному току не превосходила 3—4. Это достигается введе-
нием последовательно с дугами дополнительных индук-
тивностей. В мощных печах для этой цели достаточно
индуктивности трансформатора и короткой сети—токо-
подвода от электропечного трансформатора к электродо-
держателям: эти естественные индуктивности настолько
велики, что ограничивают ток КЗ у самых крупных печей
до двукратного номинального значения. Поэтому в мощ-
ных печах приходится заботиться об уменьшении, на-
сколько это возможно, индуктивности контура из-за сни-
жения коэффициента мощности установки, а также о со-
гласовании параметров трансформатора и вторичного
токоподвода. Наоборот, у малых печей естественной ин-
13-859
198
8
К измеритель-
► ним приборам
и защите
К измеритель-
ным приборам
>и автомати-
ческому
регулятору
мощности
Рис. 4.6. Электрическая схема питания ДСП. л <;
1 — цепь; 2 — печкой трансформатор; 8 — встроенный реадсгор; 4 — трансформа-
тор тока; 5 — трансформатор напряжения; О — высоковольтный выключатель;
7 — дагьедижитеде; 8 — ввод высокого* напряжения; 5 —реле защиты от пере-
грузки.
дуктивности не хватает (трансформатор 6—10%, короткая
сеть 5—10%, что соответствует 5—6-кратному значению
тока КЗ), и приходится последовательно с трансформато-
ром включать со стороны высокого напряжения дополни-
ли
тельную индуктивность—реактор с магнитопроводом и
масляным охлаждением, имеющий относительное реак-
тивное сопротивление 15—25%. Так как индуктивность
реактора не должна зависеть от тока, его сердечник ра-
ботает в режиме, далеком от насыщения.
Ограничение толчков тока при КЗ и стабилизация
режима дуги нужны только в период расплавления; в ос-
тальные периоды плавки дуга горит вполне устойчиво
без дополнительной индуктивности, толчки тока меньше
(из-за снижения напряжения), КЗ редки. Поэтому, как
правило, параллельно реактору включают контакты, по-
зволяющие закоротить его, когда он не нужен.
Электрооборудование установки ДСП работает в бо*
лее тяжелых условиях, чем оборудование общепромыш-
ленных электроустановок, так как оно должно выдер-
живать многочисленные 2—3-кратные перегрузки по
току. Это относится к электропечному трансформатору,
реактору, трансформатору тока; их конструкция должна
быть усиленной в механическом и тепловом отношениях.
В особенно тяжелых условиях работает коммутационная
аппаратура, так как число отключений печи, в том числе
при КЗ, доходит до нескольких десятков в сутки. Это
ставит в особо тяжелые условия размыкающие контакты
я масло высоковольтных выключателей и требует частых
(до двух раз в месяц) ревизий и замен масла. В частнос-
ти, маломасляные горшковые выключатели совершенно
непригодны для коммутации дуговых печей; здесь приме-
няют только баковые вакуумные или воздушные выклю-
чатели. Всю коммутационную аппаратуру (выключате-
ли, переключатели ступеней напряжения электропечных
трансформаторов) устанавливают на стороне ВН, так
как на стороне НН, где токи достигают нескольких десят-
ков тысяч ампер, никакие переключения невозможны.
В установках ДСП необходима защита от перегруз-
ки и от аварийных КЗ. Первую обеспечивают обычно на
стороне НН электропечного трансформатора, а вторую—
с помощью максимальных реле мгновенного действия,
подключаемых к трансформаторам тока на стороне ВН.
Уставку реле мгновенного действия выбирают так, что-
бы реле не реагировали на эксплуатационные КЗ, кото-
рые должны ликвидироваться не отключением печи, а
поднятием электродов с помощью быстродействующей
системы автоматического регулирования мощности печи.
Защита от перегрузки состоит из реле максимального то-
13*
195
ка с ограниченной зависимой характеристикой и обеспе-
чивает отключение печи за время, большее, чем бремя
отработки автоматики. Ее задача — отключение печи
в случае, если автоматика не сработает.
Электропечные трансформаторы имеют газовую за-
щиту и сигнальные термометры. Дифференциальную за-
щиту на печных трансформаторах не применяют из-за
резко различных .характеристик трансформаторов тока
на сторонах ВН и НН.
Кроме того, в электрооборудование установки ДСП
входит система автоматического регулирования ее ре-
жима, которую мы рассмотрим отдельно. Остальная элек-
троаппаратура, применяемая в печных подстанциях, не
отличается по условиям работы и методам выбора от
аналогичной аппаратуры общепромышленных электро-
установок.
Оптимальные электрические режимы ДСП. Расход
электроэнергии на 1 т выплавленной стали и производи-
тельность печи зависят не только от технологических
факторов (марки выплавляемой стали, качества шихты
и электродов, состояния футеровки, умения персонала,
длительности простоев), но и от того, насколько правиль-
но выбран электрический режим печи. Регулировать
электрический режим можно, изменяя либо питающее
напряжение, либо длину, а следовательно, и токи дуг.
Первым способом пользуются обычно лишь несколько
раз за плавку, обычно при переходе от одного этапа
плавки к другому. Второй способ позволяет регулировать
режим печи непрерывно и плавно, опуская и поднимая
электроды при помощи системы автоматического регули-
рования, поддерживающей токи фаз печи на заданном
уровне.
Так как регулирование режима ДСП осуществляет-
ся в основном путем изменения длины дуги, а с-лею и
тока, целесообразно выявить зависимость от тока ее ос-
новных параметров: полезной и полной (активной) мощ-
ности, электрических потерь, электрического КПД и ко-
эффициента мощности. Такого рода зависимости строят
на основе схемы замещения печи; они носят название
электрических характеристик.
С электрической точки зрения установку ДСП можно
рассматривать как набор активных и индуктивных сопро-
тивлений, последовательно включенных на напряжение
стороны НН электропечнрго трансформатора. С этой
196
целью вес сопротивления, находящиеся в действительно-
сти на стороне ВН, следует пересчитать на сторону НН,
уменьшив их в л® раз, где п — коэффициент трансформа-
ции трансформатора. Из таких сопротивлений сущест-
венной является индуктивность реактора. Разумеется,
собственное сопротивление трансформатора также долж-
но быть отнесено к стороне НН.
Считая ДСП симметричной трехфазной системой,
можно ее схему замещения представить в виде однофаз-
ной цепочки последовательно включенных на фазовое х
вторичное напряжение индуктивных и активных со-
противлений: индуктивного сопротивления реактора Хр
(активным сопротивлением гр и сопротивлениями хр и гр
ввиду их малости пренебрегаем), индуктивного и актив-
ного сопротивлений трансформатора Хц, хТ2, Гц, /•«; ин-
дуктивного и активного сопротивления короткой сети Хц,
Гг\ сопротивления дуги 7?д, принимаемого активным
(рис. 4.7, а); может произвольно меняться, тогда как
остальные принимаются неизменными. Поэтому все ин-
дуктивные и активные сопротивления можно сложить,
обозначив сумму активных сопротивлений через г, а сум-
му индуктивных — через х (рис. 4.7,6).
Для такой схемы замещения можно построить кру-
говую диаграмму. При коротком замыкании /?д=0, а
ток КЗ печи равен:
/2К = -^-----(4.3)
2 УгГ+7*
о—
О_
О—
О-
Рис. 4.7. Схемы замещения
дуговой печи: полная (а)
и упрощенная (б).
197
Зная г и х, можно построить треугольник напряжений
КЗ, при этом активные слагающие напряжения принято
откладывать по вертикали, а реактивные — по горизон-
тали (рис. 4.8, треугольник ОАВ). Сторона О А представ-
ляет собой индуктивное падение напряжения I^x, АВ —
активное падение напряжения I-щГ, угол <рк — сдвиг фаз
тока и напряжения печи при КЗ, сторона ОВ — фазное
напряжение U%t>. Так как и при всех других режимах сум-
ма всех активных и индуктивных падений напряжения
в схеме должна быть равна Т/2ф, вершина вектора ОВ
должна лежать на окружности, проведенной из точки О
радиусом ОВ.
В соответствии с допущением о постоянстве индук-
тивного .сопротивления х падение напряжения на нем h*
должно быть пропорциональным току 72; следовательно,
по оси абсцисс можно отложить значения тока 72 в мас-
штабе I А=ОА/72к, мм. Если теперь для любого тока
h=OC восстановить из С перпендикуляр к оси абсцисс
до пересечения в точке D с окружностью LM, то отрезок
ЕС даст в масштабе напряжений падение напряжения
на сопротивлении г, равное hr, а отрезок ОС—падение
напряжения на индуктивном сопротивлении х, равное/гХ,
отрезок DE — напряжение на дуге £/д=72Рд, а угол <р —
сдвиг фаз между током 72 и напряжением Т/2.
Построенная круговая диаграмма дает, таким обра-
зом, связь тока h с напряжением на дуге С/2ф, а следо-
вательно, и с сопротивлением дуги. Это, тв свою очередь,
позволяет построить все интересующие нас электричес-
кие характеристики печной установки в функции тока 72:
^,п = з/!г;
Раот = 371	+ г) = з [72	(72х)2];
= ^эл.пол ~ ^акт ^эл,п = ^д =
=з[/,УЧ-(М’-^];	. <4'4)
•п =	= *Д 1 = U* .
^акт Яд+г /2(Лд + г) ’
COStp = Ракт^ = ^а(Нд4” r)/U2ф.	f
Здесь Рэл.п — мощность электрических потерь уста-
новки, Вт; Рл— мощность, выделяющаяся в дуге, Вт;
Ракт — активная мощность установки, Вт; 5=31/2ф72 —
198
полная мощность установки
В-А; г)эл — электрический
КПД установки.
На рис.' 4.9 (нижняя
часть диаграммы) показаны
электрические характери-
стики ДСП. Из рисунка вид-
но, что с увеличением тока
электрический КПД печи и
ее коэффициент мощности
падают, а потери в токопод-
воде и трансформаторе
РЭлл растут пропорциональ-
но квадрату тока, полезная
же Ря и активная Рал» мощ-
ности печи сначала растут,
а затем, пройдя максимум,
Рис. 4.8. Круговая диаграмма
однофазной дуговой установки.
вновь начинают уменьшать-
ся. Поэтому увеличивать ток печи сверх предела, соот-
ветствующего максимуму полезной мощности (ток I"),
нецелесообразно, так как при этом электрические потери
будут все больше увеличиваться, в то время как элек-
трический КПД, coscp и производительность печи станут
уменьшаться. Однако и ток
1" также невыгоден, так •
как кривая Ря у вершины
идет полого, а Рэл.п, наобо-
рот, круто, и поэтому надо
сдвинуть рабочую точку вле-
во, в более экономичный
режим, например при токе
/Оп. Для более точного опре-
деления рационального ре-
жима работы ДСП надо по-
строить рабочие характери-
стики цечи. Их построение
показано иа рчс.4.9 вверху.
В верхней части рисунка
нанесены технологические
Рис. 4.9. Электрические и рабочие
характеристики дуговой печи.
и»
показатели работы печи: удельный расход электроэнер-
гии w, кВт-ч/т, часовая производительность печи g; т/ч,
время плавления одной тонны стали t, ч/т, и- полный
КПД печи т]. Мощность тепловых потерь Рт>п, которая
принята не зависящей от рабочего тока печи (что не
слишком отличается от действительности), нанесена в
нижней части рисунка. Эти показатели строят для пе-
риода расплавления, так как в периоды окисления и ра-
финирования тепловой и электрический режимы опреде-
ляются требованиями технологии. Кроме того, в эти
периоды в зависимости от марки стали затрачивается
15—30% всей израсходованной за плавку электроэнер-
гии, тогда как на период расплавления приходится 85—
70%.
Для определения этих показателей в период рас-
плавления могут быть использованы следующие выра-
жения:
^ = РПОЛ/340 = (РД-Р1,П)/340;
f = l/ff = 340/(Рд—Рт,п); т] = Т1вл Пт =
= 340/и, = 340g//’aKT.
(4.5)
Здесь 340 кВт«ч/т — теоретическое количество элек-
троэнергии, необходимое для расплавления 1 т стали;
Рд и Pt, п — мощность дуг и тепловые потери печи, кВт.
Как видно из рис. 4.9, возможные пределы работы
печи уже, чем по электрическим характеристикам, так
как печь может работать лишь в том случае, если ее ак-
тивная мощность больше, чем сумма ее тепловых и элек-
трических потерь, т. е. при токах, ббльших 1л и меньших
1в- Кривая удельного расхода электроэнергии w имеет
минимум при токе I', этому току соответствует макси-
мум кривой полного КПД печн q; следовательно, ток /'
определяет оптимальный энергетический режим.
Кривая производительности печи g достигает макси-
мума при токе I", который соответствует максимуму мощ-
ности дуг, этому же току соответствует минимум кривой
удельного времени расплавления /; следовательно, /"
определяет режим максимальной производительности.
Как видно, эти режимы не соответствуют друг другу: оп-
тимальный энергетический режим наступает при токе,
меньшем, чем ток, который соответствует максимальной
производительности.
300
Если цех работает в условиях недостатка электро-
энергии, то решающим является оптимальный электри-
ческий режим, характеризуемый током и именно под-
держивание этого тока должно быть задано системе ав-
томатического регулирования печи. Если' же главная за-
дача состоит в том, чтобы выплавить максимум металла,
то определяющим является режим максимальной произ-
водительности (ток/")>
В нормальных условиях работы оптимальным следует
признать такой режим, который обеспечивает мини-
мальную себестоимость расплавления металла. Состав-
ляющие этой себестоимости можно подразделить на три
группы, Некоторые из них, например удельная себестои-
мость шихты или легирующих материалов, не зависят от
производительности, другие зависят от нее (например,
амортизация оборудования, некоторые виды зарплаты),
и удельная их составляющая обратно пропорциональна
ей. И, наконец, есть составляющие, которые пропорцио-
нальны расходу электроэнергии. Таким образом, для се-
бестоимости расплавления 1 т стали Ц, руб., можно на-
писать:
Ц^А + B/g+cw.	(4.6)
Первый член в правой части уравнения не зависит от
тока; второй уменьшается из-за увеличения производи-
тельности g до достижения током значения I", после че-
го он вновь начинает увеличиваться; третий уменьшается
с ростом тока до I', после чего начинает увеличивать-
ся. Таким образом, в интервале Г—I" одна составляю-
щая себестоимости уменьшается, а вторая увеличивает-
ся. Следовательно, тон 1Оа (рис. 4.9), при котором себе-
стоимость расплавления стали минимальная, больше то-
ка Г, но меньше тока I". Если составляющая стоимости
электроэнергии в себестоимости расплавления велика, то
ток Ion ближе к Г, а если мала, то к I".
Разумеется, для того чтобы этим анализом можно
было воспользоваться, необходимо, чтобы значения Г и
I" были меньше максимально допустимого тока печного
трансформатора.
В периоды окисления и рафинирования температур-
ный режим футеровки накладывает ограничения на на-
пряжение и мощность печи. Кроме того, как уже ука-
зывалось, электрический режим печи в эти периоды оп-
ределяется требованиями технологии.
201
Таким образом, электрические и рабочие характерис-
тики ДСП позволяют диализировать ее электрические
режимы и выбирать оптимальный. Если эти характерис-
тики построить для различных напряжений и мощностей
трансформатора и для разных индуктивностей реактора,
то можно не только выбрать правильный режим по току,
но и судить о целесообразности принятого напряжения,
достаточности мощности печного трансформатора и ин-
дуктивности реактора и наметить их изменение в рацио-
нальном направлении. Поэтому для каждой крупной ус-
тановки ДСП следует строить ее характеристики.
Как уже указывалось, в настоящее время резко уве-
личиваются мощности крупнотоннажных (50, 100, 200 т
и более) печей. Объясняется это тем, что в этих печах
начинают всё чаще плавить обычные углеродистые ста-
ли, а также применять новый процесс, при котором ра-
финирование металла переносится из печи в ковш. Оба
эти процесса приводят к увеличению удельной доли вре-
мени расплавления и, следовательно, к возможности бо-
лее полно использовать электропечной трансформатор,
при этом увеличение мощности печей дает значительное
увеличение их производительности, а следовательно, и
КПД, и уменьшение удельного расхода электроэнергии.
Однако резкое снижение стойкости футеровки печей при
таком увеличении их удельной мощности является пре-
пятствием. Для снижения излучения дуг на стены и свод
печи надо уменьшить длину дуг, т. е. добиваться увели-
чения их мощности в первую очередь за счет увеличения
тока фаз при ограниченном повышении напряжения.
При этом установка попадает в режим работы на макси-
муме полезной мощности или даже правее его, т. е. при
низком (менее 0,7) коэффициенте мощности и умень-
шенном электрическом КДД. Однако преимущества, по-
лучаемые от сокращения времени расплавления (при
этом повышается тепловой КПД печи) и увеличения про-
изводительности, с лихвой перекрывают вышеуказанные
недостатки такого режима.
Приведенное выше заключение об оптимальном ре-
жиме работы относится к ДСП малой и средней мощно-
сти, в то время как для крупных высокомощных печей оп-
тимальный режим соответствует режиму максимальной
производительности.
Построение характеристик ДСП осуществимо двумя
путями. Первый путь — опытный, пригодный для дейст-
'202
вующих печей. Он осуществляется по записям показаний
приборов для различных токов при нескольких ступенях
напряжения и позволяет получить зависимость активной
и полной мощностей, а следовательно, и коэффициента
мощности от тока I* Для определения мощности дуги не-
обходимо подключать дополнительные ваттметры непо-
средственно к электродам, у места их входа в свод. При
таком опытном снятии электрических характеристик (и
расчета по ним рабочих характеристик; определение Рт, п
осуществляется из- энергетического баланса печи, см. ни-
же) обычно ограничиваются наиболее интересной об-
ластью между /г=0,5 /гном и током, соответствующим
максимуму активной мощности. Для получения качест-
венных результатов необходимо проводить опыт при
спокойном режиме печи, т. е. в период рафинирования,
когда можно обеспечить симметричный токовый режим.
Если все же токи в фазах слегка различаются, то в каче-
стве расчетного берут их среднеквадратичное'значение.
Необходимо также обеспечить одновременность всех за-
писей, устранить наводки в проводах, ведущих к прибо-
рам (для этого желательно, чтобы провода были про-
ложены бифилярно), а также влияние на приборы силь-
ных магнитных полей, имеющихся около печи (экрани-
рование приборов, отнесение их от печи на достаточное
расстояние).
Второй путь — расчетное построение характеристик
по выражениям (4.4) и из круговой диаграммы. Для этой
цели нужно знать параметры контура печной установ-
ки— ее активное и индуктивное сопротивления. Если
речь идет о действующей печи, то их можно определить
из опыта короткого замыкания. Последний осуществляют,
опуская электроды в жидкий металл (на низшей ступени
напряжения и при максимальном индуктивном сопротив-
лении реактора, чтобы снизить до безопасных пределов
ток КЗ), а параметры установки определяют по показа-
ниям ваттметра, амперметра и вольтметра.
Если речь идет о проектируемой печи, то параметры контура
приходится рассчитывать по участкам. Параметры реактора и элек-
тропечного трансформатора известны из .их паспортов. Что же каса-
ется короткой сети, включая электроды, то расчет ее активного и
реактивного сопротивления чрезвычайно трудоемок и поэтому его
осуществляют с помощью ЭВМ. В тех случаях, когда из-за сложно-
сти конфигурации короткой сети расчеты дают недостаточно на-
дежные результаты, осуществляют исследование различных вариан-
тов коротких сетей на моделях при высоких частотах. /Гак как при
203
таком моделировании линейные размеры модели уменьшаются по
сравнению с натурой обратно пропорционально корню квадратному
ив отношения частот, то при выборе, например, частоты 2500 Гц
можно изготавливать модели с размерами, в У 2500/50 «7 раз мень-
шими действительных. ,
При сравнении эксплуатационных показателей работающих пе-
чей с данными электрических и рабочих характеристик, например
средневзвешенного соз ф и средней мощности за плавку, полу вечных
по показаниям счетчиков, с значениями, взятыми из характеристик
для среднего за плавку значения тока, обнаруживается довольно
значительное их несоответствие. Причина этого заключается в том,
что при построении электрических характеристик был сделан ряд
допущений. Основные из них таковы.
L. Принята синусоидальная форма кривых тока и напряжения
дуги. Между тем дуга является нелинейным элементом, генерирую-
щим высшие гармоники в сеть. В результате увеличиваются индуктив-
ные сопротивления контура по сравнению с значениями, рассчитанны-
ми или измеренными при синусоидальном токе. Особенно это замет-
но в начальный* период плавки, когда дуга горит неустойчиво.
В мощных печах это явление сказывается меньше, чем в печах малой '
емкости.
2. Предлагается стационарный характер всех трех дуг печи. При
ч наличии толчков тока и обрывов дуги изменяется характер парамет-
4 рой печи,* при толчках тока электрические потери резко возрастают,
а КПД и cos ф падают. Нелинейные зависимости этих величин, так
же как и мощностей, от тока приводят к тому, что средние значения
должны определяться по характеристикам не для действительного
среднего тока, а для среднеквадратичного его значения. Многочис-
ленные статистические исследования показали, что среднеквадратич-
ные токи могут на 10—15% превосходить средние (меньшая цифра
для больших печей), что может привести к изменению получаемых из
электрических характеристик параметров на 5—10%.
3. Допущен симметричный характер нагрузки печи и ее контура.
В действительности токи и напряжения дуг отдельных фаз все время
меняются, и эти изменения в среднем не полностью компенсируют
Друг друга. Сам контур ДСП не является симметричным. Токопод-
воды от трансформатора к электродам лежат в одной плоскости,
поэтому взаимные индуктивности крайних фаз друг с другом и со
средней фазой различны. *В результате возникает явление переноса
мощности в короткой сети от о^ной фазы к другой, в одной из край-
них фаз напряжения иа дуге и мощность дуги уменьшаются («мерт-
вая» фаза), в другой крайней фазе напряжение и мощность, наобо-
рот, возрастают («дикая» фаза). Чем больше печь, чем больше ее.
токи, тем больше сказывается это явление. В крупных печах мощ-
ность «дикой» фазы может оказаться вдвое больше мощности, выде-
ляемой в «мертвой» фазе. Это явление крайне нежелательно, так
как вызывает сильный перегрев металла и разгар футеровки у «ди-
кой» фазы.
Все эти допущения в сумме вызывают существенное отличие
средних действительных параметров и характеристик печи от расчет-
ных; это отличие может достигать 10%. Тем не менее электрические
и рабочие характеристики дают ценные данные о режимах печной
установки при различных условиях работы.	>
204
Задачи автоматического управления электрическим
режимом ДСП можно сформулировать так:
1.	Поддержание мощности печи на оптимальном
уровне в соответствии с задаваемой оператором или ав-
томатическим устройством программой.
2.	Изменение питающего печь напряжения в течение
плавки в соответствии с заданной программой.
3.	Возможно более быстрая ликвидация всех нару-
шений режима, вызванных проходящими в ванне печи
процессами.
Наиболее важной и трудной является третья задача.
Режим горения дуг в ДСП крайне нестабилен, особен-
но в период расплавления. В этот период имеют место
резкие колебания тока, короткие замыкания я обрывы
дуги, частота которых доходит до 5—10 в минуту. Тол-
чок тока приводит к резкому уменьшению или даже пре-
кращению полезного выделения мощности при значитель-
ном увеличении потерь и снижении cos<p (см. рис. 4.9).
В связи с этим необходима очень быстрая ликвидация
каждого нарушения, так как при пяти нарушениях в ми-
нуту и длительности их регулирования в 2—3 с печь в
период расплавления будет работать до 25% времени в
ненормальном, невыгодном режиме. Поэтому от системы
автоматического регулирования ДСП требуется большое
быстродействие. Осуществить вручную такое быстродей-
ствие невозможно, в результате чего все ДСП работают
с автоматическими регуляторами, стабилизирующими их
режим и устраняющими возникающие возмущения. Из-
менение заданий регулятору и переключение напряжения,
как правило, осуществляются оператором, однако в по-
следнее время начинают получать распространение ав-
томатические программаторы с программой, рассчиты-
ваемой с помощью ЭВМ.
При автоматической стабилизации режима печи ре-
гулятором от последнего требуется не только высокое
быстродействие, но и большая чувствительность, с тем
чтобы обеспечить поддержание нужного значения регули-
руемого параметра с высокой точностью. Недостаточная
точность поддержания режима печи на заданном уровне
приводит либо к уменьшению производительности ДСП,
либо к увеличению удельного расхода электроэнергии.
Обычно считается необходимым, чтобы зона нечувстви-
тельности регулятора была в период расплавления равна
±3—6%, а в период окисления и рафинирования ±2—4%.
205
Однако сочетать такую узкую эону нечувствительности с
высоким быстродействием крайне трудно, так как для по-
лучения малого времени регулирования возмущения не-
обходимы большие скорости перемещения электродов.
При их скорости 3 м/мин дуговой промежуток в 5 см бу-
дет пройден после КЗ за 1 с, что приемлемо; однако при
такой скорости зона нечувствительности будет пройдена
за 0,05—0,1 с. Это означает, что при подходе к зоне не-
чувствительности электрод, чтобы остаться в заданном
режиме, должен быть заторможен за 0,05 с, иначе насту-
пит колебательный режим, будет нарушена устойчивость
работы печи. Но чем больше скорость перемещения
электрода, тем больше в нем запас кинетической энер-
гии, тем больше вероятность, что он выйдет за границы
зоны нечувствительности и начнется колебательный ре-
жим. Следовательно, для устойчивой работы печи надо
снизить либо быстродействие системы регулирования,
либо ее чувствительность, либо точность поддержания
заданного режима.
Для того чтобы разрешить это противоречие, приме-
няют различные методы: форсирование разгона двигате-
ля перемещения электрода путем подачи на него повы-
шенного напряжения (для уменьшения времени его раз-
гона), сокращение времени (а следовательно, и пути) его
выбега перед остановкой (путем применения эффектив-
ного торможения — например, противотоком), введение
пропорциональности между скоростью перемещения
электрода и возмущением, регулирование по производ-
ной возмущения и т. д. Однако самым радикальным спо-
собом является значительное снижение момента инерции
(а следовательно, и запасенной кинетической энергии)
привода механизма перемещений электрода (сам регуля-
тор, по крайней мере, современный, выполненный на по-
лупроводниковых приборах практически безынерционен).
Так как основной момент инерции системы заложен в
якоре двигателя, то именно момент инерции последнего
и надо уменьшать. В этом отношении большие надежды
возлагают на новый двигатель с якорем на печатных
схемах: момент инерции ротора этого двигателя в не-
сколько раз меньше обычного. Другой путь—рамена
электромеханического привода на гидравлический, бла-
годаря несжимаемости жидкости остановка такого при-
вода осуществляется почти мгновенно. Гидравлический
привод получил наряду с электромеханическим также
206
значительное распространение. В частности, отечествен*
ная серия ДСП средней емкости снабжена гидравличес-
кими приводами перемещения электродов.
Для устранения нарушений режима регулятор воз-
действует на привод механизма перемещения электрода,
восстанавливая длину дугового промежутка, соответст-
вующую заданной мощности печи. Так как производитель-
ность печи зависит от ее полезной мощности, именно
последняя должна быть выбрана в качестве параметра
регулирования. Однако полезная мощность имеет явно
выраженный максимум (см. рис. 4.9),' между нею и пере-
мещением электрода нет однозначной зависимости, одна
и та же полезная мощность может поддерживаться регу-
лятором как по левую, так и по правую сторону от мак-
симума, причем даже при правильной работе (слева от
максимума) регулятор заставит печь после первого же
КЗ перейти на работу правее максимума, т. е. при пони-
женных КПД и cos <р. Поэтому распространение получи-
ли лишь регуляторы, которые поддерживают стабильным
ток печи или сопротивление печи г, т. е. отношение пи-
тающего печь напряжения к ее току (дифференциальные
регуляторы). В частности, все отечественные ДСП
снабжаются ими, что объясняется их существенными
преимуществами. Они обеспечивают автоматический пуск
печи; при исчезновении напряжения на печи электроды
останавливаются; при нарушении режима в одной из
фаз перемещения электродов других фаз будут меньшими.
В эти регуляторы вводятся два сигнала, один из кото-
рых пропорционален току печи, а другой — фазному на-
пряжению. Оба эти сигнала сравниваются. При задан-
ном режиме они должны быть равны. На привод меха-
низма перемещения электродов сигнал не подается. При
увеличении тока сверх заданного подается сигнал на
подъем, при уменьшении тока — на спуск электрода.
Как токовые, так и дифференциальные регуляторы,
установленные на ДСП, не обеспечивают автономности
регулирования фаз печи. Токи всех трех фаз связаны
друг с другом, и при нарушении режима в одной из них
меняются также токи двух других, вследствие чего ав-
томатические регуляторы вызывают перемещение всех
трех электродов. Это приводит к излишним движениям
.электродов, их колебаниям и износу их приводов. В на-
стоящее время ведутся работы по созданию автономной
системы автоматического регулирования ДСП. »
207
В современных регуляторах с. электромеханическим
приводом усилители сигнала и управляющие двигате-
лем блоки выполняются на полупроводниках. В системах
с гидравлическим приводом применяется обычно мотор-
ное реле, на котором суммируются сигналы по току и на-
пряжению и которое управляет гидравлическим серво-
двигателем. Последний, в свою очередь, управляет основ-
ным золотником, соединяющим силовые цилиндры пере-
мещения электродов с напорной (подъем) или спускной
(спуск) линиями.
Такая система обеспечивает лишь стабилизацию ре-
жима ДСП на заданном вручную или программатором
уровне. Следующей ступенью должно быть включение
в систему автоматизации печи вычислительного устрой-
ства, которое, получив сигналы по составу шихты, метал-
ла в ванне и его температуре, будет управлять не только
электрическим режимом печи, но и, с помощью соответ-
ствующих механизмов, его загрузкой, скачиванием шла-
ка, сливом металла, введением легирующих и кислорода.
Такие комплексные автоматические устройства явля-
ются локальными, они должны быть приданы каждой пе-
чи и связаны, в свою очередь, с автоматической системой
управления (АСУ) цеха, посылая в АСУ информацию о
работе управляемого агрегата и получая от нее коррек-
тирующие команды, увязывающие совместную работу
всех агрегатов цеха.
Энергетический баланс ДСП и техника безопасности. При рацио-
нальной эксплуатации ДСП предусмотрена в первую очередь ее ра-
бота при оптимальных электрических режимах, описанных выше. Од-
йако большое влияние на показатели работы печи имеют и ее дру-
гие эксплуатационные характеристики, ее тепловые характеристики
(особенно тепловые потери), состояние оборудования, организация
плавки (простои) и т д. Для того чтобы оценить влияние этих ха-
рактеристик на показатели работы печи, желательно составить энер-
гетический баланс.	1
Энергетический баланс дуговой печи состоит из приходных и
расходных статей.
Приход энергии:
Qi — теплота, вносимая в печь с электрической энергией;
Q2 — теплота, вносимая в перь с шихтой;
Оз— теплота, выделяемая в печи при протекании в ванне экзо-
термических реакций;
Q& — теплота, выделяемая в печи при окислении электродов.
Расход энергии:
Qi — теплота продуктов плавки — стали и шлака;
Q2 —теплота, поглощаемая в ванне при протекании эндотерми-
ческих реакций;4
208
(?з — все виды тепловых потерь печи;
— электрические потери печной установки.
Работу печи характеризуют следующие показатели:
тепловой КПД, %*
Q1+Q2—Оа 1ЛЛ
т]т « ~'	100;
Qi + Рэ + Ол
электрический КПД, %,
Q1-Q4
Пэл - -4^ 100;
Vi
удельный расход электроэнергии, wt кВт.ч/?,
w = Qj/G,
(4.7)
(4.S)
(4.9)
где G — масса стали, выплавленной за плавку, т.
Определение статей энергетического баланса производится как
экспериментальным, так и расчетным путем. Более подробно методи-
ка снятия энергетического баланса ДСП, а также примеры баланса
приведены в [27, 29, 30, 31].
Снятый на данной установке энергетический баланс следует срав-
нить с описанными в опубликованных работах, что позволит провести
анализ значимости отдельных приходных и расходных статей и вы-
явить пути их снижения.
Основную опасность при эксплуатации ДСП представляет, как и
у всякого высоковольтного оборудования, возможность поражения
персонала электрическим током. Поэтому необходимо, чтобы при
проектировании установки были выполнены все требования Правил
устройства электроустановок, а в эксплуатации удовлетворялись тре-
бования Правил технической эксплуатации электроустановок потре-
бителей. Помимо высоковольтного оборудования, расположенного в
отдельном помещении, снабженного блокировкой, электрооборудова-
ние на стороне НН также является опасным, так как у наиболее мощ-
ных современных печей фазное напряжение относительно земли мо-
жет достигать 500, а в случае заземления одной из фаз — 850 В.
Между тем короткая сеть печи имеет неогражденные участки, в пер-
вую очередь электроды, электрододержатели и трубы токоподвода
на стойках. С этими участками возможно соприкосновение персона-
ла при перепуске электродов и уплотнении электродных отверстий.
Кроме того, корпус печи, его механизмы и электрооборудование
в случае пробоя изоляции могут оказаться под напряжением'. Опас-
ность усугубляется тем, что персонал находится обычно на стальном
полу или иа стальных площадках печи, а влажная из-за жары кожа
человека имеет пониженное электрическое сопротивление. Поэтому
корпус печи и все ее механизмы и электроприводы должны быть на-
дежно заземлены, а операции скачивания шлака, перепуска электро-
дов и взятия пробы должны проводиться при отключенной печи.
Помимо поражения током обслуживающий ДСП персонал мо-
жет подвергаться ожогам. Для предохранения его от ожогов, необ-
ходимо, чтобы спецодежда, особенно рукавицы, была в порядке;
брюки должны быть навыпуск (поверх ботинок), чтобы мельчайшие
14—859
209
брызги раскаленного металла н шлака не могли попасть между го»
леншцем сапога и брюками. Глаза должны быть защищены как от
ожога, так и от ослепляющего действия дуг темными синими очками.
ДСП как потребители энергии. Дуговая сталепла-
вильная печь является мощным и в то же время весьма
неприятным для энергосистемы потребителем. Она, как
правило, работает с низким коэффициентом мощности
(0,8—0,7); потреблямая из сети мощность меняется в те-
чение плавки; ее электрический режим беспокойный, с
частыми толчками тока, короткими замыканиями и об-
рывами дуги. Дуги печи генерируют высокочастотные
гармоники, нежелательные для других потребителей и
вызывающие дополнительные потери в питающей сети.
Для того чтобы снизить реактивную мощность печи
и повысить ее коэффициент мощности, можно использо-
вать включаемые на шины главной понижающей под-
станции, питающей группу печей, конденсаторы. Одна-
ко реактивная мощность печи при толчках тока колеб-
лется в больших пределах, поэтому необходимо, чтобы
емкость компенсирующей конденсаторной батереи так-
же изменялась с очень большой скоростью, соответству-
ющей скорости изменения реактивной мощности печи.
Это может быть достигнуто, например, путем подклю-
чения части конденсаторов через тиристорные ключи,
управляемые схемой, обеспечивающей постоянство зна-
чения коэффициента мощности установки на уровне,
близком к единице.
В связи с тем что активная мощность печи при ко-
лебаниях тока изменяется в более узких пределах по
сравнению с реактивной, решение вопроса о компен-
сации колебаний последней в значительной степени свя-
зано с решением также и вопроса об ограничении коле-
бательности режима пе(чи.
Дуга является нелинейным элементом цепи и вызы-
вает искажение формы кривой тока и напряжения в пи-
тающей сети, т.е. появление в ней высших гармоник,
связанных с дополнительными потерями энергии и край-
не неприятными для таких потребителей, как связь и те-
левидение. Особенно сильно влияют высшие гармоники
на конденсаторы, вызывая их перегрев и выход из строя.
Для борьбы с этим могут применяться фильтры из ем-
кости и индуктивности, настроенные на частоту гармо-
ник с наиболее крупными амплитудами. Широко приме-
няется- выделение печных подстанций на самостоятель-
210
ное питание, связанное с другими потребителями лишь
на напряжении 110 или 220 кВ. В этом случае искаже-
ния кривых тока и напряжения у других потребителей
удается удержать в допустимых пределах.
4.Э. РУДНОТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ
В руднотермических (рудовосстановительных) печах
проводят восстановительные электротермические про-
цессы, с помощью которых получают чистые металлы
или сплавы металлов из руд, содержащих эти металлы
в виде окислов или сернистых соединений. Так, из FeO
получают чугун (процесс, аналогичный доменному), из
МпО— марганец, из SiOj— кремний, из МоО3 — молиб-
ден, из СаО (извести) — карбид кальция СаС2 и т.д.
Во многих случаях получают не чистые металлы, а
их сплавы с железом — ферросплавы (ферросилиций,
ферромарганец, феррохром, силикомарганец и др.). Они
имеют меньшую температуру плавления, их легче и де-
шевле получать. Такие сплавы широко применяются при
производстве сталей, как легированных, так и обычных
углеродистых.
Широко применяются также в промышленности по-
лучаемые в этих печах фосфор (удобрения), карбид
кальция (производство ацетилена, некоторых сортов
удобрений), никелевый штейн (получение металличес-
кого никеля). Более ограниченный характер носит про-
изводство в руднотермических печах других материалов,
таких, как малоуглеродистые ферросплавы и чистые
кремний, марганец, хром (применяются для получения
некоторых высоколегированных сталей), алунд и карбо-
рунд (абразивные материалы), электрографит (графи-
товые электроды для ДСП) и др. Иногда в руднотерми-
ческих печах проводится лишь расплавление материалов
без проведения восстановительных реакций, напри-
мер плавка муллита (футеровка стеклоплавильных пе-
чей), базальта, диабаза (каменное литье изделий для
химических реакторов).
Руднотермические печи имеют следующие отличи-
тельные черты:
1. Удельное электрическое сопротивление шихты в
нагретом состоянии сравнительно велико (колодная
шихта, как правило, неэлектропроводна), поэтому джоу-
левой Теплотой, выделяющейся в шихте при протекании
14*
211
по пей тока, пренебрегать (как в ДСП) нельзя: она в
большинстве процессов достаточно велика. Но имеются
процессы, в которых почти вся мощность выделяется в
дугах (рафинировочные печи, в которых получают чис-
тые металлы, например, кремний или малоуглеродистые
ферросплавы). Наоборот, в графитировочных печах и в
печах для карборунда дуги отсутствуют, вся мощность
выделяется в шихте, так что практически это — печи со-
противления прямого действия.
Для подавляющего числа процессов руднотермичес-
кие печи являются печами смешанного действия — ду-
говыми печами сопротивления.
4 2. В отличие от ДСП, в которых по существу прово-
дится лишь один процесс — выплавка электростали (все
варианты этого процесса могут быть осуществлены в од-
ном типе печи), в руднотермических печах проводится
множество различных технологических процессов, ока-
зывающих существенное влияние на электрические и
геометрические параметры и конструктивные особенно-
сти печей. Поэтому было создано много типов руднотер-
мических печей, существенно отличающихся друг от
друга.
3.	Энергоемкость проводимых в руднотермических пе-
чах процессов весьма велика и достигает 2000—10000
кВт-ч/т продукта (против 600—1000 кВт-ч/т при вы-
плавке стали). Причины этого следующие.
Во-первых, температуры плавления большинства об-
рабатываемых в руднотермических печах материалов
высоки. Во-вторых, ряд руд загрязнен пустой породой;
при их плавлении образуется много шлака (многошла-
ковый процесс), количество которого может превзойти
количество полезного продукта, и для того чтобы эту
породу можно было отделить от основного металла, пре-
вратив ее в шлак, ее надо нагреть и расплавить, затра-
тив на это много добавочной электроэнергии. В-третьих,
в отличие от сталеплавильного производства в рудно-
термических процессах доминируют реакции, идущие с
поглощением теплоты (эндотермические реакции), на-
пример:
FeO 4- С + 141200 кДж/кмоль = Fe + СО;
МпО + С + 279 700 кДж/кмоль = Мп + СО;
212
SiO2 4- 2C 4- 650120 кДж/кмоль = Si 4- 2CO;
CaO + 3C 4- 452 520 кДж/кмоль = CaCj 4- CO,
Стрелка над CO означает, что окись углерода выде-
ляется на колошнике печи и уходит в атмосферу.
Как видно, во всех этих реакциях восстановителем
является углерод (карботермические процессы). В руд-
нотермических процессах в качестве восстановителя мо-
гут быть использованы также кремний или алюминий
(силикотермические и алюмотермические процессы).
4.	Для многих руднотермических процессов (полу-
чение массовых ферросплавов, чугуна, карбида кальция,
фосфора, никелевого штейна) характерны крупные объ-
емы производства, поэтому, во-первых, необходимы очень
мощные печи (до 100 МВ-А, а в будущем — и еще бо-
лее мощные, так как чем больше печь, тем относительно
меньше ее тепловые потери, тем меньше удельный рас-
ход энергии, удельная зарплата и ряд других расходов)
и, во-вторых, весьма серьезными становятся проблемы
загрузки ц выгрузки обрабатываемых материалов и уда-
ления выделяемых печью газов. Большие объемы загру-
жаемых материалов, высокая температура выпускаемых
из печи металла и шлака, горячий колошник, с поверх-
ности которого выделяется окись углерода, вспыхиваю-
щая на колошнике, — все это затрудняет механизацию
работ на печи и создает тяжелые условия труда для
персонала.
5.	Печи работают непрерывно, капитальный ремонт
возможен один раз в 1,5—2 года, поэтому требуется вы-
сокая надежность конструкций печи, а в местах, подвер-
гающихся нагреву, — усиленное водяное охлаждение.
6.	Электрический режим печей (кроме рафинировоч-
ных печей с открытой дугой) сравнительно спокоен,^так
как последовательно или параллельно с дугой включено
сопротивление шихты; кроме того, сама дуга горит ус-
тойчиво (большие токи, хорошая тепловая изоляция дуг
и, следовательно, высокие температуры зон вокруг ду-
ги), толчки тока невелики, эксплуатационные короткие
замыкания отсутствуют.
Как уже говорилось, проводимые в руднотермичес-
ких печах процессы весьма разнообразны, различны со-
ответственно и конструкция, геометрические и электри-
213
Рис. 4.10. Схема печи для бесшлакового процесса.
ческие параметры печей. Можно, однако, выделить сле-
дующие пять основных групп процессов.
1.	Бесшлаковые и малошлаковые процессы — полу-
чение ферросилиция, ферромарганца, углеродистого фер-
рохрома, карбида кальция.
Печи для этих процессов (рис. 4.10) трехфазные, не-
прерывного действия, неподвижные: загрузка осуществ-
ляется сверху, порциями; выпуск металла производится
периодически через летки 8, которые забиты пробками
и пробиваются или прожигаются электрической дугой
перед выпуском. Обычно печь в плане — круглая (мень-
шие тепловые потери; электроды расположены по тре-
угольнику, следовательно, меньше перенос мощности),
но применяются и прямоугольные печи с размещенными
по длинной оси прямоугольника тремя или шестью элек-
тродами. В первом случае печь имеет две или три летки,
во втором — всегда три летки (против каждого электро-
да) с выпуском металла поочередно из каждой летки.
Электроды 1 погружены в шихту, они зажаты электро-
додержателями 2, висящими на цепях лебедок.
Дуга горит в газовом Пузыре 5 у нижних концов
электродов 1 в шихте; пузыри возникают из-за давле-
ния выделяющихся газов и оформляются спекшейся
шихтой, образующей стенки «тигля» 4, опирающиеся на
жидкий металл (расплав) 6, на котором и горит дуга;
на внутренней поверхности «тигля» температура равна
температуре плавления металла. Именно в стенках «тиг-
214
ля» протекают реакции восстановления; восстановлен*
ный металл расплавляется на внутренней поверхности
«тигля» и каплями стекает вниз. Ток проходит не толь*
ко по дуге, но от электрода к расплаву через стенки
«тигля» (спекшаяся шихта является хорошим проводни-
ком), шунтируя ток дуги. Последовательно с другой
включен расплав; в нем также выделяется джоулева
теплота, но она невелика, так как электрическое сопро-
тивление металлического расплава мало. Кроме того,
ток проходит по «треугольнику» непосредственно от
электрода к электроду через шихту 3, однако ввиду вы-
сокого сопротивления холодной шихты этот ток невелик.
По мере расплавления шихты в «тигле» ее место за-
нимает опускающаяся вниз вокруг электродов шихта.
Остальные участки шихты (у стен шахты печи, между
электродами) остаются неподвижными и не участвуют
в реакциях, образуя гарнисаж, защищающий футеровку
от перегрева. Загрузку шихты поэтому следует проводить
вокруг электродов, а не по всей площади колошника,
образуя вокруг них конусы 10. Благодаря этим конусам
газы (СО) отклоняются от электродов и выходят на ко-
лошнике на некотором расстоянии от электрододержате-
лей 2. В противном случае последние, несмотря на во-
дяное охлаждение, быстро вышли бы из строя в резуль-
тате воздействия горящих струй окиси углерода.
Так как восстановителем является углерод (кокс),
стенки шахты печи 9 и ее подина 7 могут быть изготов-
лены из угольных блоков, выдерживающих бблыпую по
сравнению с керамическими материалами температуру.
Условия работы у открытого колошника и у леток
тяжелые (жара, пыль, необходимость вручную регули-
ровать состав шихты). Отсюда вытекает настоятельная
необходимость закрытия колошника печи, ее герметиза-
ции и механизации загрузки печи и выпуска металла.
2.	Многошлаковые процессы — получение никелевого
штейна из сернистых руд (рис. 4.11), фосфора и др.
Печи для многошлаковых процессов — также непре-
рывного действия, прямоугольные (для никелевого штей-
на— с тремя или шестью электродами 1) или круглые
(для фосфора), неподвижные, с выпуском через летки
отдельно металла 6 и отдельно шлака 8-, летки для
металла и шлака находятся на разных уровнях. На по-
верхности расплава 7 плавает толстый слой расплавлен-
ного шлака 9; ток проходит через дугу 5 и шлак на рас-
215
Рис. 4.11. Схема пени для многошлакового процесса.
плав. Загрузка шихты через устройства 2 осуществляет-
ся на поверхность шлака, шнхта 10 плавает на нем и
растворяется в шлаке, восстановленный металл стекает
в расплав. Благодаря этому не требуется ухода за ко-
лошником, что облегчает закрытие и герметизацию печи.
Такие печи перекрыты сводом 3 и герметизированы,
имеют.вытяжку газов 4, так как либо их газы ядовиты,
либо нужный продукт получается в виде пара (фосфор),
который надо сконденсировать и собрать.
3.	Рафинировочные процессы — получение безуглеро-
дистых или малоуглеродистых ферромарганца и ферро-
хрома, металлического кремния и никеля (рис. 4.12).
В отличие от предыдущих эти процессы носят перио-
дический характер: в печь подают в несколько приемов
шихту, расплавляют ее, рафинируют, получая нужный
продукт, и затем сливают его и шлак. Для удобства сли-
ва печи выполняют наклоняющимися. Поскольку рафи-
нировочная плавка должна обеспечить минимальное со-
держание углерода в готовом продукте, применяют гра-
фитовые электроды, а в' качестве футеровочного
материала — обычно магнезит.
Рафинировочные процессы протекают в значительной
мере с открытой дугой, поэтому уровень применяемых
напряжений приближается к уровню напряжений на
дсп.
4.	Блок-процессы — получение электрокорунда, фер-
ровольфрама, карбида бора.
216
Рис. 4.12. Схема рафинировочной печи.
1 — механизм наклона; 2 —опорный сектор; 3 — шахта; 4 — механизм пере-
мещения электродов; 5 — электрододержатель.
Температура плавления этих материалов очень высо-
ка, поэтому они расплавляются лишь на короткое время.
На подине печи появляется лужа расплавленного ме-
талла, которая снизу застывает; сверху наплавляется
новый материал. Постепенно лужа поднимается все вы-
ше, а под ней образуется застывший сплав — блок, ко-
торый, наращиваясь, постепенно заполняет по высоте
всю печь. Процесс наплавления — периодический; после
окончания наплавления блока электроды поднимают,
217
ванну откатывают, после остывания из нее извлекают
блок, дробят его, продукты дробления сортируют и на-
правляют на дальнейшую обработку. Ванна печи уста-
новлена на колесах для удобства выкатки, футерована
только подина (у печей для электрокорунда — угольны-
ми блоками и угольной набойкой), стены печи представ-
ляют собой стальной кожух, орошаемый водой, а футе-
ровкой служит шихта, находящаяся между кожухом и
блоком (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Печь для выплавки корунда.
I — короткая сеть; 2 —система водоохлаждения; 3 —съемный кожух; 4 —
кожух подины; 5 —тележка; б —футеровка подины; 7 — электрододержатель;
8 — уплотнение; 9 — лебедки перемещения электродов.
218
Конструкция и электрооборудование руднотермичес-
ких печей. Печи для бесшлаковых и многошлаковых
процессов состоят из следующих основных элементов.
Ванна печи. Ванна состоит из прочного цилиндричес-
кого или прямоугольного кожуха, усиленного горизон-
тальными и вертикальными поясами жесткости, футеро-
ванного изнутри магнезитовой или угольной футеровкой
и установленного на бетонном фундаменте. Кожух у пе-
чей для бесшлаковых процессов открыт сверху или пе-
рекрыт металлическим охлаждаемым водой сводом; у пе-
чей для многошлаковых процессов он перекрыт арочным
керамическим сводом. Подина ванны очень толстая и об-
ладает большой тепловой инерцией. Ванна печи снаб-
жена несколькими летками для выпуска сплава и шла-
ка. Закрытые печи снабжаются газоотводом и системой
газоочистки.
Тяжелые условия работы на колошнике, а также то
обстоятельство, что окись углерода, сгорая, выделяет
очень много теплоты, которая в случае герметизации пе-
чи могла бы быть утилизирована, привели к стремлению
закрыть также печи для бесшлаковых процессов. Само
закрытие печи обеспечивается металлическим водоох-
лаждаемым сводом, теплоизолированным с внутренней
стороны, и тщательной сортировкой шихты, позволяю-
щей отказаться от ухода за колошником печи, осущест-
вляемого в открытых печах вручную. Главная труд-
ность при этом заключается в устранении опасности
взрыва. В случае попадания воздуха в наполненную
окисью углерода закрытую печь образуется взрывчатая
смесь, поэтому в печи должно надежно поддерживаться
с помощью чувствительной системы автоматического
регулирования небольшое избыточное давление, чтобы
исключить проникновение воздуха в печь. В настоящее
время в отношении ряда сплавов и, в частности, ферро-
силиция эта проблема решена, для других процессов
ведутся опытные работы.
Электроды, и система их подвески. Обычно печь име-
ет три электрода, расположенных по треугольнику
(круглые печи) или вытянутых в линию (прямоуголь-
ные печи); в последнем случае на крупных печах при-
меняют шесть электродов. Электроды—самоспекающи-
еся, оии состоят из стального кожуха, сваренного из
листа, и заполняющей его массы (кокс в смеси с камен-
ноугольной смолой и пеком). Внизу, в ванне печи, элек-
219
троды расходуются, причем кожух расплавляется. По
мере обгорания и распыления концов электродов они
опускаются, наполняющая их масса попадает во все
более горячую зону и спекается, превращаясь в твер-
дый угольный электрод. По мере укорочения электрода
к его верхней части приваривают новую секцию кожу-
ха, ааполняемую новой порцией массы. Такие самоспе-
кающиеся электроды достигают 2000 мм в диаметре и
образуют столб длиной 10—15 м и массой до 5 т, под-
вешенный с помощью приваренных к нему стальных
лент и цепей или тросов к лебедкам, установленным в
верхней части здания. С помощью этих лебедок элект-
роды поднимаются или опускаются, тем самым осу-
ществляется регулирование токов фаз. Лебедки приво-
дятся в действие, как правило, электроприводом. По
мере укорочения электрода он перепускается вниз на
лентах, которые привариваются к его кожуху в новом
месте. В последних конструкциях ленточная подвеска
заменяется двойным механизмом перепуска, состоящим
из подвешенных к лебедкам колец, зажимающих элект-
род с помощью гидравлических цилиндров.
Конструкция рафинировочных печей аналогична
конструкции ДСП. Разница заключается в том, что
обычно рафинировочные печи имеют неподвижную шах-
ту, стоящую рядом с печью на фундаменте, в которой
передвигаются стойки с электрододержателями (см.
рис. 4.12). Этот вариант конструкции возможен, так как
эти печи обычно не имеют свода и работают с откры-
тым колошником.
Токоподводы. Так как токи фаз составляют несколь-
ко десятков тысяч ампер и доходят до 100000 А й даже
больше, токоподводы выполняются для уменьшения ин-
дуктивности из перешихтованных шин (чередование
прямых и обратных шин или чередование фазных шин)
или охлаждаемых водой медных труб. Они состоят из
трех частей — перешихтованного участка от выводов
печного трансформатора до неподвижных литых мед-
ных башмаков, в которых закреплена гибкая часть то-
коподвода — пакеты гибких кабелей или лент, обеспе-
чивающих свободное перемещение электрододержате-
лей относительно неподвижного токоподвода. Другой
конец гибкой петли токоподвода зажат в подвижных
башмаках, жестко связанных медными водоохлаждае-
мыми трубами с щеками электрододержателей. Узлы
220
щек представляют собой подвешенные кольца, внутри
которых по окружности расположены 6—8 бронзовых
щек, прижимаемых к кожуху электрода (зажим вруч-
ную болтами—в старых конструкциях и специальным
гидравлическим устройством — в новых мощных пе-
чах). При перепуске зажим ослабляется н электрод
проскальзывает внутри . электрододержателя. Электро-
додержатели располагаются над колошником на уров-
не верхнего края ванны.
Электрическое оборудование, обслуживающее круп-
ные руднотермические печи, отличается от оборудова-
ния ДСП тем, что отсутствует реактор, так как режим
относительно спокоен, дуги более устойчивы и хорошо
теплоизолированы. Трансформаторы, как правило, вы-
полняются с переключением ступеней напряжения под
нагрузкой, регулирование режима осуществляется как
перемещением электродов, так и переключением ступе-
ней трансформатора. Ввиду перешихтовки токоподво-
дов трансформаторы тока со стороны НН установить
нельзя. Несмотря на перешихтовку, индуктивность то-
коподводов весьма велика и коэффициент мощности
установки низок (0,8—0,7); кроме того, велика неравно-
мерность нагрузки по фазам, особенно в прямоуголь-
ных печах (перенос мощности).
Для улучшения коэффициента мощности и доведе-
ния его до приемлемого значения (0,9—0,95) применя-
ются те или иные схемы компенсации мощности с по-
мощью конденсаторов.
При поперечно-емкостной компенсации (рис. 4.14)
конденсаторы С включаются между фазами со стороны
ВН, при этом реактивная энергия не поступает в сеть,
а циркулирует в трансформаторе Т и короткой сети,
Рис. 4 14 Схема прдеречно-ем-
костной компенсации.
Рис. 4.15 Схема продольно*
емкостной компенсации.
221
вызывая дополнительные потери. При продольно-емко-
стной компенсации (рис. 4.15) конденсаторы С включа-
ются в разрез токоподвода последовательно с дугами.
Так как напряжение на стороне НН мало и потребова-
лась бы очень большая емкость конденсаторов для ком-
пенсации» причем они были бы в значительной степени
недоиспользованы, их включение осуществляется в спе-
циальные повышающие трансформаторы Т1—ТЗ, вклю-
чаемые в токоподвод последовательно.
При продольно-емкостной компенсации мощность
электропечного трансформатора можно уменьшить, так
как она покрывает лишь активную составляющую, од-
нако при этом появляются еще три однофазных повы-
шающих трансформатора.
В установках рафинировочных печей условия рабо-
ты электрооборудования аналогичны условиям работы
в ДСП.
В руднотермических печах тепловая энергия выде-
ляется не только в дугах, но и в расплаве, и в шихте,
и для хода процесса не безразлично, где именно выде-
ляется основная, полезная мощность. Наиболее ценной
является энергия, выделяемая в дуге — там она более
концентрированная и определяет температуру наиболее
горячей зоны, в которой протекают реакции.
Мощность, выделяемая в расплаве, поддерживает
последний в нагретом жидкотекучем состоянии. Если
она будет слишком мала, то расплав застынет, если ве-
лика— он перегреется и может повредить подину. Сле-
довательно, выделяемая в расплаве мощность должна
быть вполне определенной, она должна быть равна
мощности тепловых потерь подины и низа ванны печи.
Мощность, выделяемая, в шихте, идет на ее подогрев
и сушку. Если она будет чересчур велика, то это вызо-
вет нагрев гарнисажа и колошника печи, что увеличит
тепловые потери и создаст более тяжелые условия ра-
боты для персонала. Если же она будет мала, то шихта
будет подходить в зону тиг*ля недоосушенной, что мо-
жет вызвать бурное парообразование и выбросы. Изме-
нение доли участия отдельных составляющих выделя-
емой в печи энергии можно осуществлять путем измене-
ния электрического режима печи, а также подбора
шнхты.
Итак, в печах с бесшлаковыми процессами управле-
ние режимом значительно сложнее, так как требуется
222
стабилизировать не только общее выделение энергии в
печи, но и отдельные ее составляющие. Обычно на
практике нужный оптимальный режим подбирают эм-
пирическим путем, меняя напряжение питания и шихту.
В печах для многошлаковых и рафинировочных процес-
сов автоматическая стабилизация электрического режи-
ма осуществляется по тем же принципам, что и в ДСП.
Как уже указывалось, электрический режим мощных
руднотермических печей по сравнению с режимом ДСП
намного спокойнее, толчки тока невелики, искажения
кривых тока и напряжения малы, поэтому проблема
ухудшения качества энергии этими печами не возника-
ет. Кроме того, большая тепловая инерция руднотерми-
ческих печей дает возможность безболезненно их от-
ключать или снижать их нагрузку в часы пик на 1—2 ч
или даже более. Следовательно, эти печи могут быть
использованы в качестве регуляторов нагрузки электри-
ческих сетей.
Рациональная эксплуатация и техника безопасности. Определе-
ние оптимального электрического режима руднотермической сечи
осуществляется так же, как и режима ДСП. Энергетический баланс
руднотермической печи по статьям также составляется аналогично
балансу ДСП, но количественные значения статей сильно отличают-
ся, так как в руднотермических печах превалируют эндотермические
реакции и расход энергии на эти реакции может быть очень велик.
Примеры энергетического баланса для некоторых процессов приве-
дены в [27, 29, 32].
Вопросы техники безопасности решаются в руднотермических
установках так же, как в установках ДСП. Следует лишь отметить,
что в цехах, где установлены руднотермические печи с открытым
колошником, загазованность рабочих площадок выше, поэтому по-
мимо мощной вытяжной вентиляции (вытяжной зонт над печью)
устраивается приточная вентиляция, которая подает через насадки
свежий воздух на участки рабочей площадки печи, на которых ра-
ботает персонал. Подаваемый приточный свежий воздух (в количе-
стве примерно 30 м9 на каждого рабочего) зимой подогревается, а
летом охлаждается и увлажняется. В особо тяжелых случаях для
защиты персонала от прямого излучения колошника применяют пе-
реносные ширмы, цепные и водяные завесы.
В связи с тем: что организм человека в результате нагрева теря-
ет много жидкости и солей натрия с потом, в горячих цехах персо-
нал обеспечивается подсоленной (обычно газированной) водой.
Рудногермяческие печи являются существенным источником за-
грязнения окружающей среды, так как в них выделяется много га-
зов, засоренных пылевыми частицами. Это является еще одной при-
чиной, понуждающей к закрытию колошника печей. В современных
мощных герметизированных печах устраиваются газоотсосы, причем
отсасываемые из печи газы охлаждаются и очищаются от пылевых
частиц с помощью фильтров (матерчатых, мокрых, электрофильтров).
223
Очищенные газы, содержащие значительное количество окиси
углерода, могут сжигаться в топках котлов для получения низкотем-
пературного пара, например для целей отопления.
4.4.	УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА
Технологический процесс переплава. Развитие за
последние 25—30 лет авиации, ракетной, космической
и других областей техники потребовало новых, более
прочных материалов, дающих возможность создания
легких и долговечных конструкций. Основными мате-
риалами остались стали, но качество их существенно
повысилось. Оказалось, что можно значительно улуч-
шить прочностные свойства сталей, их вязкость, пла-
стичность, сопротивляемость переменным нагрузкам и
истиранию, если очистить их от мелких загрязнений,
примесей, неметаллических включений и растворенных
в них газов (азота, водорода, кислорода). При этом
оказалось возможным существенно улучшить такие
сорта стали, как шарикоподшипниковые, пружинные,
жароупорные (лопатки турбин реактивных двигателей).
Например; в результате очистки от примесей и раство-
ренных газов шарикоподшипниковой стали удалось уве-
личить ресурс (срок службы) шарикоподшипников в
полтора-два раза.
Лучшие сорта стали получают в ДСП, в которых
путем специального рафинирования удается удалить
из металла в шлак вредные растворенные в металличе-
ской ванне примеси, такие, как сера, фосфор, окислы
железа, углерод. Однако ряд неметаллических приме-
сей и растворенных в металле газов удалить полностью
в процессе рафинирования стали в ДСП не удается.
Для того чтобы добиться особой чистоты стали, нужно
еще раз (а иногда и два раза) ее переплавить и про-
вести рафинирование в новых условиях, в корне отлич-
ных от условий, в которых проводится рафинирование
стали в ДСП. Несмотря на то что это дорого, такой
процесс вторичного переплава стали себя оправдывает.
Для того чтобы таким Ьбразом очистить сталь, нуж-
но, во-первых, найти такой шлакообразующий матери-
ал, который интенсивно отбирал бы из металла как не-
металлические включения, так и газы, во-вторых
обеспечить более интенсивное и более тесное взаимо-
действие между жидкой сталью и шлаком и, в-третьих,
защищать расплавленный металл от соприкосновения
224
Рис. 4 16. Принцип действия установ-
ки электрошлакового переплава.
с воздухом и футеровкой пе-
чи — источниками насыщения
металла газами и неметалличе-
скими включениями.
Процесс, который позволил
осуществить все указанные тре-
бования, был создан в Институ-
те электросварки им. Е. О. Па-
тона АН УССР и назван элек-
трошлаковым переплавом (со-
кращенно ЭШП). Этот процесс
получил широкое распростра-
нение в СССР и за рубежом.
Осуществляется он следующим образом (рис. 4.16).
Из полученной в ДСП стали отливают, прокатывают
или проковывают круглые расходуемые электроды при-
мерно половинного сечения по сравнению с желаемыми
размерами слитка и длиной 6—8 м. Конец такого элек-
трода 1 опускают в металлическую (обычно медную)
охлаждаемую водой трубу — кристаллизатор 2. Послед-
ний нижним концом устанавливают на поддон 7, также
медный и воохлаждаемый. На поддон, находящийся
на тележке, предварительно укладывают затравку
(темплет) 6, выполненную из той же стали, которую хо-
тят получить. Конец электрода устанавливают на зат-
равку, а пространство между ним и стенкой кристалли-
затора заливают жидким (расплавленным) фтористым
шлаком 3 марок АН-6 или АН-7, состоящим из 65—80%
фтористого кальция и 35—20% глинозема AI2O3. Затем
слегка приподнимают электрод, к нему и поддону при-
кладывают напряжение 45—60 В промышленной часто-
ты. Ток растекается от конца электрода по шлаку (жид-
кий шлак электропроводен) к стенкам кристаллизатора
и к поддону. Шлак разогревается до 1700° С под дейст-
вием протекающего через него тока; конец электрода
разогревается от шлака и начинает расплавляться, кап-
лями через шлак стекая на поддон. В результате конец
электрода принимает форму конуса, а на дне кристал-
лизатора образуется жидкометаллическая ванна. Но
15—859
225
так как поддон и кристаллизатор медные и охлаждают-
ся водой, то, соприкасаясь с ними, жидкая сталь сразу
же застывает, образуя слиток 5, на верхней части ко-
торого за счет постоянно притекающего сверху от элек-
трода перегретого металла и образуется жидкометал-
лическая ванна 4, имеющая сфероконическую форму.
Постепенно расходуемый электрод плавится все больше,
а слиток растет в кристаллизаторе, и верхняя поверх-
ность его поднимается вместе с жидкометаллической
ванной. В конце плавки, когда расходуемый электрод
расплавится (кроме огарка, зажатого в электрододер-
жателе), слиток заполняет кристаллизатор. Печь отклю-
чают, кристаллизатор откатывают на тележке в сторону
и разгружают: кристаллизатор снимают со слитка вверх
(для облегчения съема он выполняется слегка конус-
ным). Из электрододержателя извлекают огарок и
вставляют новый расходуемый электрод. Затем под
электрод подкатывают второй кристаллизатор, и начи-
нается новая плавка. Таким образом, процесс ЭШП яв-
ляется периодическим, а установка ЭШП — печью пе-
риодического действия.
Падающий с конца электрода каплями перегретый
металл проходит до попадания в ванну через слой шла-
ка. Поверхность капель намного больше поверхности
ванны, поэтому рафинирующее действие шлака более
интенсивно, чем в ДСП. Шлак защищает жидкий ме-
талл от соприкосновения с воздухом, а соприкосновение
его с холодными стенками кристаллизатора также не
способствует его загрязнению. Поэтому металл, полу-
ченный ЭШП, намного чище по сравнению с металлом,
полученным в ДСП.
Кроме того, слиток ЭШП получается более плотным.
При отливке слитков в обычную металлическую излож-
ницу (рис. 4.17, а) первым застывает металл у ее холод-
ных стенок, тогда как сердцевина застывает последней.
Кристаллизация слитка идет по линиям, перпендику-
лярным границе раздела жрдкой и твердой фаз, т. е. оси
образующихся кристаллов в основном перпендикуляр-
ны оси слитка. При прокатке таких слитков их кристал-
лы деформируются, что ухудшает прочностные свойства
стали. В кристаллизаторе же поверхность раздела фаз
(нижняя поверхность ванны на рис. 4.17,6) имеет сфе-
роконическую форму, поэтому линии кристаллизации,
идущие перпендикулярно этой поверхности, направлены
226
Рис. 4.17. Строение слитка.
а — при кристаллизации в изложнице; б — при кри-
сталлизации в кристаллизаторе.
по оси слитка или под небольшим уг-
лом к нему. Кроме того, такой слиток
получается более плотным по струк-
туре по сравнению с обычным, и его
более высокое качество позволяет из-
готавливать крупные (десятки тонн)
ответственные отливки, например, для
валов мощных паровых турбин и ге-
нераторов.
Направлением линий кристаллиза-
ции можно управлять, изменяя фор-
му жидкометаллической ванны, так
9
как она зависит от скорости расплав-
ления, т. е. от мощности печи (направленная кристалли-
зация). Чем меньше скорость расплавления, тем бо-
лее плоской будет ванна, и наоборот.
При застывании слитка его диаметр уменьшается и
между ним и стенками кристаллизатора образуется тон-
кий кольцевой зазор, в результате чего уменьшается пе-
редача теплоты от слитка к кристаллизатору. Поверх-
ность слитка не требует обдирки, так как она покрыва-
ется лишь тонкой пленкой гарнисажа.
Методом электрошлакового переплава можно отли-
вать не только круглые, но и прямоугольные слитки. В
этом случае кристаллизатор выполняют также прямо-
угольным и применяют два или три круглых или прямо-
угольных электрода. Для наиболее крупных слитков
Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР
разработана конструкция печи ЭШП с семью электро-
дами, из которых шесть расположены по окружности и
подсоединены к питающему трансформатору, а седьмой
расположен в центре кристаллизатора и не включен в
цепь питания.
Устройство установок ЭШП (рис. 4.18). Установка
ЭШП состоит из неподвижной стойки 5, по которой
вверх и вниз может перемещаться на роликах каретка
4, несущая электрододержатель с зажатым в нем элек-
тродом 3. Кристаллизатор 2 с поддоном 1 установлен
на тележке на рельсах и может выкатываться из-под
электрода.
15*
227
Рис. 4.18. Схема установки ЭШП.
Питание установки осуществляется от понижающего
трансформатора 7 с большим числом мелких ступеней
напряжения для регулирования скорости расплавления
и компенсации изменения сопротивления контура, вы-
званного изменением длины, а следовательно, и сопро-
тивления электрода по мере его расплавления. Токо-
подвод 6 от трансформатора к электроду имеет гибкую
часть; его обратный провод имеет ножевой контакт 8 у
поддона. Как видно, прямой и обратный провода об-
разуют большую петлю, поэтому индуктивность токо-
подвода велика.
Печи ЭШП выполняются на слитки в 1—5 т и более
.(до 100 т; проектируются печи на слиток на 150 и до
250 т). Мощность печей достигает (для слитка массой
40 т) 3000 кВ’А, а так как напряжение невелико и печь
однофазная, токи достигают 75000 А и более. Поэтому
из-за большой индуктивности токоподвода коэффициент
мощности установки составляет всего 0,8—0,7, снижаясь
до 0,6 у печи на слиток 40 т.
Так как тепловые потери в кристаллизаторе велики,
КПД установок низок, а удельный расход энергии до-
стигает 1000—1200 кВт-ч/т.
Для улучшения параметров и эксплуатационных ха-
рактеристик печей ЭПШ делались попытки их перевода
228
на питание постоянным током, однако они не дали по-
ложительных результатов, так как качество слитков при
этом снизилось.
Попытки разработки трехфазной печи с тремя рас-
положенными в линию кристаллизаторами также не
имели успеха из-за большого переноса мощности и очень
значительного расхождения в скорости плавления в
«мертвой» и «дикой» фазах. Лучше работает трехфаз-
ная печь с одним кристаллизатором и тремя располо-
женными по треугольнику электродами.
В настоящее время используют два метода снижения
индуктивности контура печи. Первый состоит в приме-
нении бифилярного токоподвода у печей с двумя элект-
родами и прямоугольным кристаллизатором для вы-
плавки плоских слитков; в этом случае прямой и обрат-
ный провода могут располагаться рядом и индуктивность
токоподвода резко* уменьшается; коэффициент мощно-
сти растет до 0,9—0,95. Второй способ — питание печей
ЭШП током низкой частоты (2—10 Гц) от преобразо-
вателя частоты.
Электрический режим печей ЭШП сравнительно
спокойный: дуга отсутствует, колебания тока невелики.
Качество слитка получается хорошим, если скорость
плавления постоянна. Для этой цели на печах устанав-
ливается система автоматического регулирования, ста-
билизирующая ток ванны, в то время как напряжение
на ней меняется по программе за счет переключения
ступеней напряжения питающего трансформатора. Бла-
годаря этому в начале плавки мощность печи поднима-
ется постепенно (прогрев электрода), а в конце плавки
также постепенно снижается. Последнее необходимо
для вывода лунки и уменьшения усадочной раковины
в верхней части слитка. Во время плавки перемещение
электродов происходит с постоянной скоростью для
обеспечения постоянства скорости наплавления слитка.
Несмотря на дороговизну (низкий КПД, высокий
удельный расход энергии) ЭШП себя оправдывает в
ряде случаев из-за высокого качества металла и воз-
можности получения очень плотных крупных слитков.
229
4.5.	ВАКУУМНЫЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ
Вторичный переплав стали для ее дополнительной
очистки может быть осуществлен не только в уставов*
ках ЭШП, но и в вакуумных дуговых печах. Условия
переплава стали в вакууме очень благоприятны, так
как при этом имеет место мощное газовыделение из
жидкого металла, а также испарение части неметалли-
ческих включений. Такой переплав можно проводить в
вакуумных индукционных печах, однако их эксплуата-
ция дорога, а главное—расплавленный металл в них
соприкасается с футеровкой тигля и получает от нее не-
металлические включения. Поэтому гораздо большее
распространение получил переплав стали в вакуумных
дуговых печах (ВДП), в которых металл расплавляет-
ся, как и при ЭШП, в медном кристаллизаторе, что
обеспечивает направленную кристаллизацию и плотную
структуру слитка. Поэтому в ВДП, как и в установках
ЭШП, переплавляют наиболее ответственные сорта ста-
ли и выплавляют слитки массой в десятки тонн. В са-
мых ответственных случаях прибегают к двукратному
переплаву, причем иногда комбинируют переплав в
ВДП с переплавом в установках ЭШП: слиток, получен-
ный в ВДП, служит электродом при электрошлаковом
переплаве. При этом получается особо выеокая степень
очистки стали как от газов, так и от неметаллических
включений; креме того, вторичный слиток не требует
обдирки (после переплава в ВДП приходится произво-
дить обдирку поверхности слитка на станке, чтобы снять
покрывающую его корку).
Область применения ВДП, однако, намного шире.
Помимо стали в этих; печах проводят плавку туго-
плавких и в то же время химически высокоактивных
металлов, которые настолько быстро окисляются на
воздухе уже при 400—600° С, что их можно плавить
лишь в вакууме. Эти металлы могут поглощать очень
большое количество газон, которые существенно ухуд-
шают их свойства, поэтому их нельзя плавить и в за-
щитной атмосфере. Это в первую очередь титан, мо-
либден, вольфрам, цирконий и их сплавы, а также тан-
тал, ниобий, бериллий и др. Особенно большое
распространение получила плавка в ВДП титана; этот
легкий и в то же время прочный и не боящийся корро-
зии металл получил большое распространение в авиа-
230
ции и судостроении благодаря тому, что позволяет по*
лучать при достаточной прочности облегченные конст*
рукции и не разъедается морской водой.
Таким образом, при переплаве высокореактивных
материалов вакуум является и защитной средой, и тех-
нологическим фактором, обеспечивающим газоудале-
ние. Только при плавлении некоторых сплавов титана
с марганцем плавку ведут в атмосфере аргона при дав*
лении 100—400 Па, поскольку марганец обладает высо*
кой упругостью пара. При плавлении в условиях глу-
бокого вакуума имел бы место значительный улет его в
откачную систему.
Кроме выплавки слитков в вакуумных дуговых пе-
чах производят также фасонные отливки из химически
высокоактивных и тугоплавких металлов, главным об-
разом из титана и ниобия. При этом основной задачей
процесса является получение определенного количест-
ва жидкого металла, перегретого выше температуры
плавления в такой степени, чтобы получить жидкоте-
кучесть, обеспечивающую возможность выпуска метал-
ла из печи и хорошее заполнение литейных форм. Ре-
шение этой задачи было найдено путем создания ваку-
умных дуговых печей для плавки в гарнисаже.
Конструкция ВДП. Установки ВДП значительно
сложнее и дороже установок ЭШП. Вакуумные дуго-
вые печи работают лишь на постоянном токе, поэтому
их питание требует преобразователя переменного тока
в постоянный. Кроме того, для получения вакуума тре-
буется сложная и дорогостоящая вакуумная система,
включающая в себя механические и диффузионные на-
сосы.
Плавка в ВДП может осуществляться в виде плавки
на слиток в кристаллизатор с нерасходуемым электро-
дом, плавки на слиток в кристаллизатор с расходуемым
электродом, плавки для целей литья в гарнисаже.
Плавку на слиток с расходуемым электродом мож-
но проводить в глухой кристаллизатор или с вытягива-
нием слитка.
Конструкция ВДП с нерасходуемым электродом по-
казана на рис. 4.19. Электрод 6 с вольфрамовым нако-
нечником 7 приварен к штоку 5, проходящему в камеру
печи 4 через уплотнения 2 и имеющему подвод тока /.
Шток вращается, его конец описывает окружность в
кристаллизаторе. Между ним и металлической ванной 8
tet
Рис. 4.19. Схема ВДП с нерасходуе-
ашм электродом.
кристаллизатора горит дуга.
Откачная система поддержива-
ет в камере печи и кристалли-
заторе вакуум 0,1—0,01 Па.
Сверху из бункера 3 питате-
лем в камеру подается шихта,
которая, переплавляясь, обра-
зует в кристаллизаторе слиток
9. Источник электропитания
подключен к штоку и кристал-
лизатору. Вместо вольфрамо-
вого электрода может быть ис-
пользован графитовый. И в
том и в другом случае металл
слитка сильно загрязняется
вольфрамом или углеродом.
Поэтому такие печи применя-
ются редко, лишь для отливки
электродов из отходов титана
или титановой губки для последующего вторичного пере-
плава. В этом случае не проводят полного расплавления
материала, а лишь его оплавление с поверхности. Тем
самым время плавки заметно сокращается, следователь-
но, уменьшается и загрязнение металла.
Конструкция ВДП с расходуемым электродом пока-
зана на рис. 4.20. Расходуемый электрод 3, выплавлен-
ный в дуговой печи и прокатанный или прокованный из
слитка, закрепляется в электрододержателе 2 на конце
штока 1. При плавке титана или циркония электроды
прессуют из губки титана или циркония, получаемой
металлотермическим процессом. При плавке молибдена,
ниобия и тантала электродом является пучок штабиков,
полученных методом порошковой металлургии. Обычно
в электрододержателе остается зажатым огарок элект-
рода предыдущей плавки и к нему приваривают новый
расходуемый электрод. Последний устанавливается в
кристаллизаторе 5 в специальной корзине, чтобы обес-
печить их соосность; печь откачивают, включают, и
между огарком и новым электродом зажигается дуга.
232
Рис. 420. Схема ВДП с расходуе-
мым электродом.	,
На торце электрода образует-
ся лунка жидкого металла, в
нее погружают конец огарка,
и печь отключают. После этого
огарок с приваренным элек-
тродом приподнимают, в печь
напускают воздух, из кристал-
лизатора извлекают корзину,
печь вновь герметизируют и от-
качивают. Электрод опускают
до соприкосновения с лежа-
щей на поддоне 7 затравкой 6,
вновь включают ток, электрод
приподнимают, и между его
концом и затравкой зажигает-
ся дуга. Электрод нагревается
и постепенно начинает оплав-
ляться. Металл каплями стека-
ет на поддон (затравку) и, за-
стывая, образует слиток 8 с
расплавленной жидкометал-
лической ванной 4 наверху.
При охлаждении металл сжи-
мается, и между ним и стенкой кристаллизатора обра-
зуется кольцевая щель, что уменьшает теплоотдачу стен-
кам кристаллизатора (в щели теплопередача происходит
лишь излучением). Основная теплота передается от слит-
ка кристаллизатору на уровне жидкой ванны.
Так как в ВДП горит дуга и нет шлака, металл жид-
кой ванны сильно разбрызгивается; его капли, попадая
на холодные стенки кристаллизатора, застывают на ней,
образуя над уровнем ванны так называемую корону —
слой пористого металла 9. С поднятием уровня ванны
корона поглощается слитком, на его поверхности обра-
зуется пористый слой, который приходится перед про-
каткой слитка обдирать на станке.
Так как диаметр электрода составляет 0,7—0,8 диа-
метра слитка, кольцевой зазор между ним и стенками
кристаллизатора сравнительно невелик; между тем га-
233
Рис. 4.21. Схема кристаллизатора с вытягиванием
слитка.
зы и пары металла, образующиеся во вре-
мя плавки, должны удаляться через этот
зазор в камеру печи и далее в откачную
систему. Гидравлическое сопротивление за-
зора достаточно велико, особенно в течение
первой половины плавки, когда конец элек-
трода находится в нижней части кристалли-
затора; поэтому между зоной дуги и каме-
рой печи 10 образуется перепад давления и
давление в зоне дуги повышается до
10 Па. Для титана и стали это несущест-
венно, но для тугоплавких металлов, интен-
сивно поглощающих газы, требуется ваку-
ум 10-1—10~2 Па. Поэтому при плавке та-
ких металлов применяют кристаллизатор с
вытягиванием слитка (рис. 4.21). В этом
случае по мере наплавления слитка пор-
шень опускается, а жидкая ванна всегда
находится вверху кристаллизатора и удале-
ние газов и паров металла облегчается.
Плавка в гарнисаже (рис. 4.22) проводится при необходимости
получить отливки (главным образом из титана), что требует
накопления ванны жидкого металла, способного заполнить литей-
ную форму. Для этой цели используют графитовый или металличе-
ский водоохлаждаемый тигель. Последний применяется реже из-за
опасности взрыва при его проедании и попадании воды на титан.
Расходуемый электрод 1 (рис. 4.22) опускают в тигель 2, уста-
новленный в конусной металлической обойме 3, охлаждаемой водой.
После зажигания дуги электрод начинает плавиться и на дне тигля
образуется ванна жидкого металла, который быстро застывает; на
дне тигля появляется слой пористого металла — гарнисаж 4. На
этот слой, имеющий сравнительно низкую теплопроводность, продол-
жают наплавлять металл, формируя жидкую ванну. По мере повы-
шения ее уровня металл у холодных стеиок тигля застывает, обра-
зуя внутренний гарнисажный тигель, в котором собирается жидкий
металл 5. Когда тигель заполнен, его наклоняют, и жидкий металл
выливается в форму. Тигель, электрод и форма расположены в гер-
метическом кожухе, соединенном с откачной системой. Для того
чтобы гарнисажный тигель имел определенную толщину стенок, на-
плавление металла также должно производиться с определенной
скоростью. Кроме того, чтобы металл не застыл, наплавление его
и слив осуществляют быстро (в течение нескольких минут). При
сливе либо электрод приподнимают и наклоняют тигель, либо весь
корпус печи с электродом, тиглем и формой наклоняют совместно.
В последнем случае слив металла может осуществляться без отклюй
чения тока.
234
Особенности дугового разряда в
ВДП. Плавка в ВДП проводится на
постоянном токе, так как на пере-
меном токе дуга вследствие усилен-
ного охлаждения внутри холодного
кристаллизатора горит неустойчиво
(быстрое охлаждение дуги и ее де-
ионизация в момент перехода тока
через нуль). Лишь плавка самых
тугоплавких металлов, например
вольфрама и молибдена, у которых
за время перерыва тока не прекра-
Рис. 4.22. Схема ВДП
для плавки в гарниса-
щается термоэлектронная эмиссия, же.
может быть проведена на перемен-
ном токе. Кроме того, плавка возможна на переменном
токе повышенной частоты (500—1000 Гц и более), так
как при такой частоте перерывы тока очень кратковре-
менны. Но и в этом случае процесс на переменном токе
происходит хуже и практически все ВДП работают на
постоянном токе.
В ВДП применяется лишь прямая полярность, когда
катодом является электрод, а анодом — жидкая ванна.
Применение обратной полярности приводит к уменьше-
нию производительности печи. Объясняется это тем, что
у вакциной дуги большая доля энергии выделяется у.
катода, где она больше всего и расходуется на плавле-
ние металла. Дуга в ВДП имеет диффузный (размытый)'
вид, она занимает все подэлектродное пространство; на
поверхности торца электрода наблюдаются быстро пе-
ремещающиеся катодные пятна, нередко выходящие на
боковую поверхность электрода.
Дуга в ВДП имеет слегка восходящую вольт-ампер-
ную характеристику и ей присущи относительно большое
катодное падение напряжения (15 — 20 В), малое анод-
ное падение напряжения (1,0 — 2,0 В) и малый градиент
потенциала в столбе дуги (1,5— 1,0 В/см).
В ВДП дуга горит в пространстве, ограниченном по-
верхностью ванны и стенкой кристаллизатора, поэтому
все эмиттируемые электродом электроны попадают либо
на ванну, либо на стенку. Если электроны, бомбардиру-
ющие ванну, приносят пользу, подогревая ее, то энергия
электронов, попадающих на стенку, уносится водой и
расходуется бесполезно, поэтому их количество надо
свести к минимуму. Для этой цели нужно, чтобы зазор
235
между электродом и стенкой кристаллизатора был боль-
ше длины дуги. Следовательно, надо работать на корот-
ких дугах, тем более что увеличение длины дуги мало
сказывается на увеличении выделяемой мощности как
из-за малого градиента потенциала в столбе дуги, так и
из-за увеличения тепловых потерь при ее удлинении. Но
слишком короткая дуга приводит к пульсациям тока, так
как через дугу проходят, падая в ванну, капли расплав-
ленного металла электрода, вызывающие короткие замы-
кания при чересчур короткой дуге. Поэтому обычно ра-
ботают на дугах длиной 3—5 см. При существенном удли-
нении дуги количество катодных пятен на боковой
поверхности электрода увеличивается, зазор между ним
и кристаллизатором начинает светиться (так называемая
ионизация), что может привести к электрическому про-
бою и появлению дуги между электродом и стенкой
кристаллизатора. Опасность этого явления заключается
в проплавлении стенки кристаллизатора и попадании
воды на расплавленный металл. При плавлении стали это
сравнительно безопасно (при наличии предохранитель-
ных клапанов в стенках камеры печи), но при плавлении
титана, который в расплавленном состоянии реагирует
с водой и образует гремучий газ, это опасно, так как мо-
жет произойти его взрыв. Поэтому ВДП для плавления
титана помещают в стальной или бетонный кожух
(бокс), а наблюдение за дугой ведут извне с помощью
перископа или телевизионной установки. Для ликвида-
ции ионизации или боковой дуги достаточно опустить
электрод до короткого замыкания со слитком и затем
вновь зажечь дугу.
Вакуумные дуговые печи работают на сравнительно
низких напряжениях (30 — 50 В при напряжении холос-
того хода источника 65 — 75 В), рабочие токи печей поэ-
тому велики (12,5; 25; 37,5; 50 и даже 100 кА).
В СССР выпускаются печи серий: ДСВ — для плавки
стали в вакууме; ДТВ — для титана; ДНВ — для ниобия,
ДДВ — для молибдена и других высокотемпературных
сплавов; ДТВГ — гарниеажные печи для титанового
литья. КПД печей составляет 30—50%.
Источники питания и системы автоматического управ-
ления режимом ВДП. ВДП очень чувствительны к изме-
нениям режима. Для того чтобы колебания тока не влия-
ли на качество слитка, они должны быть не боле 3 — 5 %.
Между тем сама по себе вакуумная печь недостаточно
236
устойчива, колебания тока в ней могут достигать 50 —
100 % и даже более. Поэтому с помощью специальных
источников тока или систем автоматического регулиро-
вания осуществляют стабилизацию тока ВДП и его про-
граммное изменение на время сварки и прогрева элек-
трода (начало плавки) и на время вывода усадочной ра-
ковины (конец плавки).
Так как ВДП работает на постоянном токе, источник
питания для них должен включать преобразователь пе-
ременного тока в постоянный. В первых установках ВДП
применялись машинные преобразователи (двигатель пе-
ременного тока — генератор постоянного тока), однако
их низкий КПД, большая инерционность, большие габа-
риты и шум при работе, с одной стороны, и успехи в
разработке полупроводниковых выпрямителей, с другой,
заставили от них отказаться. В настоящее время боль-
шинство ВДП питается от выпрямителей на кремниевых
диодах. Для того чтобы обеспечить жесткую стабилиза-
цию тока в ВДП, для их питания применяют специальные
источники питания (источники тока), имеющие свароч-
ную или даже практически вертикальную вольт-ампер-
ную характеристику (рис. 4.23).
В источнике тока ток почти всегда неизменен вне за-
висимости от сопротивления нагрузки. Напряжение же
источника переменно, изменяясь, оно обеспечивает неиз-
менность тока. Такие источники тока можно получить с
помощью специальной схемы управления с глубокой об-
ратной связью по току, воздействующей на включенный
последовательно с дугой силовой элемент — магнитный
усилитель или тиристорный преобразователь (регулятор)
Рис. 4.23 Работа источника со сварочной (а) и вертикальной (б)
характеристиками при питании ВДП; 1, 2,3 — вольт-амперные ха-
рактеристики вакуумных дуг разной длины, Ui — напряжение хо-
лостого хода источника; U„ — рабочее напряжение.
237
Рис. 4 24. Схема параметрического
источника тока.
с фазовым управлением,
напряжение на выходе
которых меняется при ко-
лебаниях тока так, чтобы
ток оставался почти неиз-
менным. Экономичным
оказался и параметричес-
кий источник тока, также
получивший в настоящее
время распространение в
установках ВДП.
Схема параметрическо-
го источника тока в одно-
фазном варианте показана на рис. 4.24. Трехфазный ва-
риант получается из трех однофазных, сдвинутых относи-
тельно друг друга на 120° С. Такой источник представ-
ляет собой звезду, включенную в трехфазную питающую
сеть; один из лучей звезды представляет собой первичную
обмотку питающего нагрузку трансформатора Тр. На-
грузка может подключаться к трансформатору либо не-
посредственно, либо через выпрямитель, если требуется
питание ее на постоянном токе. В последнем случае для
выпрямления используется мостовая схема, питаемая от
трехфазного трансформатора (три однофазных источника
тока), следовательно, одновременно осуществляется пре-
образование однофазного потребителя в трехфазный с
равномерной нагрузкой фаз. Два остальных луча звезды
выполнены в виде емкости Хс и индуктивности XL, при-
чем XC=XL для того, чтобы обеспечить резонанс схемы.
В этом случае ток в вертикальном плече звезды, а сле-
довательно, и ток нагрузки не зависят от ее сопротивле-
ния ZH и всегда постоянны, (в пределах ±3%). Объясня-
ется это тем, что положение точки О (нуля напряжений
звезды) перемещается в пространстве, точка О совпада-
ет с точкой А при коротком замыкании (напряжение на
нагрузке равно нулю) и уходит вниз от точки О при зна-
чительном уменьшении тока. Таким образом, короткое
замыкание не является опасным для источника тока; на-
оборот, обрыв дуги вызывает резкое повышение напряже-
ния на трансформаторе и особенно на конденсаторах.
Поэтому установки с параметрическим источником тока
должны иметь быстродействующую защиту от повыше-
ния напряжения на случай обрыва дуги, а включение па-
238
раметрического источника тока должно осуществляться
при короткозамкнутой дуге (что и имеет место в ВДП),
Существенным преимуществом параметрического ис-
точника тока является то, что он изменяет на 180® сдвиг
тока и напряжения, т. е. преобразует индуктивную нагруз-
ку в емкостную, улучшая коэффициент мощности сети.
Путем небольшого изменения параметров схемы можно
осуществить регулирование ее режима, т.е. изменение
задания по току. КПД схемы также высок (более 0,9),
потери имеются практически лишь в силовом трансфор-*
маторе и реакторе Xl.
Поскольку ток-ВДП стабилизирован источником тока,
основная задача системы автоматического регулирования
в данном случае состоит в поддержании неизменной ско-
рости плавления электрода, т. е. в стабилизации выделя-
емой в дуге мощности при постоянной скорости подачи
электрода. В малых печах это осуществляют путем под-
держания уровня напряжения электрододержатель —
кристаллизатор по программе, учитывающей изменение
падения напряжения в электроде по мере его сплавления;
в крупных печах падением напряжения на электроде
можно пренебречь.
Второй функцией системы автоматического управле-
ния ВДП является программное регулирование начала
плавки и ее конца (вывод усадочной раковины). Третья
ее функция—учет опасных изменений характера кривой
напряжения на дуге при появлении «ионизации» и боко-
вой дуги и ликвидация этих явлений путем автоматичес-
кого опускания электрода до короткого замыкания и пос-
ледующего его подъема.
Энергетически# баланс и рациональная эксплуатация
ВДП. На рис. 4.25 показан примерный тепловой баланс
ВДП яри выплавке слитков. Полезная составляющая
мощности дуги состоит из Рпол^ — тепловой мощности,
расходуемой на плавление электрода, и Рпол.сл — тепло-
вой мощности, затрачиваемой на перегрев поверхности
жидкой ванны; в сумме эти статьи составляют 40—45 %
общей мощности, выделяемой в печи. Тепловые потери
составляются из РПот,э—мощности потерь в электроде,
отводимой водяным охлаждением штока, Рпот(Изл — мощ-
ности потерь излучением ванны и электрода на стенки
кристаллизатора, РПот,исп—мощности потерь от испаре-
ния металла, воспринимаемой стенками кристаллизатора
и рабочей камеры, и Рпот.тп—мощности потерь теплопро-
239
Рис. 4.25. Примерный тепловой баланс ВДП при выплавке слитков,
водностью от жидкой ванны к кристаллизатору. Так как
эти потери весьма существенны (40—55 % всей затрачи-
ваемой мощности), необходимо, чтобы общая выделяе-
мая в дуге мощность была, по крайней мере, вдвое выше
этих потерь, иначе КПД печи и ее производительность бу-
дут слишком малыми.
При эксплуатации ВДП существенным является
обеспечение безопасности персонала, особенно при плавке
титана. Кроме мер пассивной защиты (помещение печи в
стальной, железобетонный бокс и применение дистанцион-
ного наблюдения за дугой) большую роль играет также
система автоматического регулирования режима печи в
части устройства для автоматического подавления иони-
зации и боковой дуги, а также автоматическая система
отключения печи и водоохлаждения в случае падения
давления в линии подачи воды.
4.6.	УСТАНОВКИ ПЛАЗМЕННОГО НАГРЕВА
Дуга, свободно горящая в воздухе, имеет температуру
столба 6000—8000 К. ЕсЛи увеличить внешнее охлажде-
ние дуги, сжав ее потоком газа, то температура ее столба
возрастет. Этого можно достигнуть, направляя поток газа
параллельно дуге (рис. 4.26, а) или по касательной к ней.
(рис. 4.26, б); в последнем рлучае формируется закручен-
ный вокруг дуги газовый поток. Таким путем можно до-
биться повышения температуры столба дуги до (10—
20) • 103 К и более. Такого рода дуга горит более устойчи-
во, чем открытая, и может достигать значительной длины;
она характеризуется большей плотностью тока, повышен-
ным градиентом потенциала в столбе дуги, большей кон-
240
Рис. 4.26. Схемы плазмотронов.
с —с параллельным током газа; б —с закрученным током газа; в —с обжа-
тием дуги магнитным полем соленоида С.
центрацией мощности. Ее называют стабилизированной
дугой.
Стабилизация дуги может быть достигнута и обжати-
ем ее магнитным полем (рис. 4.26, в).
Представление о параметрах стабилизированной дуги
дает табл. 4.1.
Т а б л и ц а 4.1. Параметры свободной и стабилизированных дуг
Тип дуги	Ток дуги. А	Диаметр столба, см	Темпера- тура на оси, К	Концентра- ция мощнос- ти в столбе, кВт/см8
Свободная дуга	20	1,6	7000	0,13
Стабилизированная дуга	20	0,5	8000	3,0
	100	0,5	9500	11,0
	300	0,5	13 000	44,0
С увеличением температуры увеличивается степень
ионизации газа. Так, при температуре около 10000 К сте-
пень ионизации паров ряда металлов достигает 0,5. Та-
16-859
S41
Реагент
Рис. 427. Схема плазмотрона с тангенциальной подачей газа.
кое высокоионизированное состояние вещества называют
низкотемпературной плазмой. При этом подразумевается,
что в такой плазме числа положительно и отрицательно
заряженных частиц в единице объема одинаковы (квази-
нейтральная плазма) и что вещество находится в состоя-
нии термодинамического равновесия.
Для того чтобы газ оказывал на дугу стабилизирую-
щее действие, его скорость должна быть весьма большой;
она может превышать скорость звука.
Устройства, в которых электрическая энергия превра-
щается в тепловую энергию потока низкотемпературной
плазмы, носят название плазмотронов.
Дуговые плазмотроны можно подразделить на высоко-
вольтные (2000—6000 В, 50—500 А) и низковольтные
(100—800 В, 2000—10 000 А). У первых дуга более длин-
ная, с развитой поверхностью, приспособленной для наг-
рева газов, у вторых более концентрировано выделение
энергии.
Схема одного из типов низковольтных плазмотронов
показана на рис. 4.27. Вольфрамовый катод 1 закреплен-
ный в медной водоохлаждаемой торцевой стенке камеры
плазмотрона, выходит в камеру, в которой создается вих-
ревой поток плазмообразующего газа, подаваемого в нее
тангенциально. Стенка камеры 2 выполнена из изоляци-
бй'ного материала; она охлаждается вводимым газом и
йри правильной конструкции не перегревается. Медный
242
водоохлаждаемый анод 3 со вставкой из тугоплавкого
металла замыкает полость камеры плазмотрона. Струя
плазмы выходит из анода в камеру смешения, куда могут
подаваться продукты обработки в виде газа или порошка,
В настоящее время подавляющее количество плазмо-
тронов работает на постоянном токе, так как сильное
охлаждение дуги переменного тока газом приводит к ее
неустойчивости: дуга обрывается при переходе тока через
нуль.
Различают плазмотроны прямого действия, когда ано-
дом является обрабатываемый материал (сталь в стале-
плавильной плазменной печи; свариваемый или подвер-
гаемый резке материал в плазменных сварочных установ-
ках), и косвенного действия, когда анодом является
корпус плазмотронов (рис. 4.27), а йагрев осуществляет-
ся выходящим из сопла плазменным факелом.
Ток и мощность плазмотрона ограничены в основном
эрозией электродов, что обусловливает малый срок их
службы. В качестве материалов для катода применяют
графит и торированный вольфрам, для анода — охлажда-
емую водой медь или обрабатываемый материал (плаз-
мотроны прямого действия).
Области применения плазмотронов весьма широки.
Это — химическая промышленность, где высокая темпе-
ратура плазмы позволяет проводить реакции в газовой
фазе с большой скоростью и полнотой; металлургия —
плавление и переплав металлов, сварка и резка металлов,
особенно цветных и тугоплавких; скоростное бурение гор-
ных пород; напыление — плазменное нанесение антикор-
розионных, жаростойких и износостойких покрытий; стен-
ды для испытаний материалов на ударные тепловые на-
грузки; получение особо чистых порошков и выращивание
монокристаллов.
Еще в начале нашего века было предложено получать
окись азота для производства удобрений и азотной кисло-
ты из воздуха путем продувания его через дугу. На рис.
4.28 показан один из вариантов подобных установок: воз-
дух продувался вдоль оси трубы, в которой между осевым
электродом (внизу) и стенками (вверху) горела дуга.
Температура воздуха достигала 3000—4000° С, при этой
температуре кислород окислял азот, но выход окиси азота
был невелик (1,5—2,0%), а нагревать приходилось весь
воздух. Поэтому КПД процесса был мал, а удельный рас-
ход электроэнергии велик (12—15 кВт-ч/кг).
16*
243
Рис 4.28. Схема дуговой установки для получения окиси
азота.
।	Установки для получения окиси азота по-
лучили быстрое распространение (так, мощ-
। ность их в Норвегии в 1916 г. достигла
300000 кВт) и эксплуатировались несколько
лет. Однако в дальнейшем был найден более
1 экономичный процесс получения азотной кис-
। лоты из синтетического аммиака, и эксплуа-
। А А тация этих установок была прекращена.
Т Li 1 I В настоящее время в химическом производ-
1 т I	стве плазмотроны применяют в первую оче-
редь в целях нагрева газов, например, для по-
лучения ацетилена из природного газа. Это —
установки длительного действия с большим ресурсом,
мощностью 1000—2000 кВт и более. На рис. 4.29 по-
казана схема высоковольтного плазмотрона для на-
грева газа (с вольфрамовым или графитовым катодом
/), в камеру 2 которого по касательной подается закру-
ченный газовый поток. Анод 3 выполнен из медной водо-
охлаждаемой трубы, находящейся внутри соленоида 4.
благодаря последнему анодное пятно, непрерывно вра-
щаясь, движется по поверхности меди, что снижает эро-
зию последней. В этой конструкции ресурс анода может
достигать 100—200 ч. Из плазмотрона плазменный факел
понадает в холодильник 5, где происходит быстрое ох-
лаждение газа. Если газ несет с собой пары какого-либо
материала, то в холодильнике могут быть получены мел-
кодисперсные порошки этого материала. Плазмотроны
такого типа работают при токе до 500 А и напряжении
2000—4000 В.
В металлургии при плавке металлов, в частности ста-
ли, потоки плазмы можно применять как для переплава
расходуемого электрода в» кристаллизатор (рис. 4.30),
так и для плавки шихты в футерованной ванне. Печи
должны быть герметизированы; в первом случае плавка
проводится в вакууме, во втором — в атмосфере защит-
ного газа, например аргона. В результате может быть по-
лучен продукт плавки, приближающийся по качеству к
металлу, получаемому в ВДП или вакуумных индукцион-
ных печах. Особенно интересна конструкция плазменной
244
Рис. 4.29. Схема высоко-
вольтного плазмотрона для
нагрева газа.
Рис. 4.30. Плазменная установка
для переплава расходуемого элект-
рода в кристаллизатор.
1 — плазмотрон; 2 — камера; 3 — рас-
ходуемая заготовка; 4 — плазменная
дуга; 5 — ванна жидкого металла; 6 —>
слиток; 7 — гильза кристаллизатора;
а — подвижный поддон.
сталеплавильной печи (рис. 4.31), напоминающей обыч-
ную ДСП, в которой три расположенные по треугольнику
электрода заменены тремя плазмотронами прямого дей-
ствия. Печь герметизирована, заполнена аргоном (газ
подается через плазмотроны), имеет подовые электроды
(аноды), расположенные в подине. Для печи емкостью
10 т применены три плазмотрона мощностью по 1800 нВт
каждый с параметрами: в начале плавки—600 В, 3000 А;
в конце—300 В, 6000 А.
Преимуществом выплавки стали в плазменной печи
по сравнению с ВДП является отсутствие вакуумной си-
стемы и дорогих расходуемых электродов (работа на
шихте), а по сравнению с ДСП — высокое качество полу-
чаемого металла (плавка в аргоне). Недостатки плазмен-
ной печи — большая длина дуг (высокие тепловые поте-
ри, тяжелые условия работы свода и стен, сильные
динамические взаимодействия дуг) и наличие подовых
электродов (уменьшение надежности работы печи).
В ГДР работает наиболее мощная плазменная сталепла-
вильная печь емкостью 30 т с установленными по тре-
угольнику наклонно в стенках тремя плазмотронами. Печь
разработана совместно специалистами СССР и ГДР.
245
Рис. 4.31. Плазменная
За рубежом появились проек-
ты плазменных плавильных пе-
чей с плазмотронами косвенного
действия на переменном токе
(возможна трехфазная печь; не
нужны подовые электроды). Для
того чтобы обеспечить устойчи-
вость дуги переменного тока, па-
раллельно с ней непрерывно го-
рит «дежурная» дуга постоянного
тока небольшой мощности.
Начаты также работы по ис-
пользованию плазмотронов в руд-
установка для переплава
шихты в атмосфере за-
щитного газа.
/ — плазмотроны; 2 — футе’
ровна печи; 3 — подовые
электроды; 4 — шихта; 5 —
плазменные дуги.
нотермических печах.
Плазменные сварка и резка
металлов осуществляются с по-
мощью плазмотронов постоянно-
го тока прямого действия. Като-
дом является графитовый элек-
трод, анодом — свариваемый
(или разрезаемый) металл и добавочный электрод.
В качестве плазмообразующего газа применяют воз-
дух, нейтральные газы или водяной пар. В основном
плазменная резка применяется для цветных и легких ме-
таллов и нержавеющей стали при больших толщинах
металла. Более подробно плазменные сварка и резка ме-
таллов описываются в гл. 5.
Для напыления и нанесения покрытий применяют
плазмотроны постоянного тока косвенного действия. На-
пыляемый материал вводится в состав катода и при плав-
лении последнего поступает в виде мелких капель в плаз-
менный факел, обдувающий изделие, на которое нужно
нанести покрытие. Если материал покрытия не электро-
проводен, он может быть введен в виде порошка в камеру
плазмотрона. Благодаря большой скорости мельчайшие
частицы внедряются в напыляемую поверхность, образуя
на ней плотный слой покрытия.
Плазменное бурение горных пород осуществляется
плазмотронами косвенного действия. Истекающий из
такого плазмотрона факел плазмы вызывает резкий мест-
ный перегрев породы, которая растрескивается и распа-
дается на куски.
Высокочастотные плазмотроны (рис. 4.32) применяют
для получения особо чистых порошков. Кварцевая труба
246
Рис. 4.32. Высокочастотный плазмотрон.
1 — поджигающий электрод; 2 — кварцевая водоохлаж*
даемая труба; 3 — индуктор; 4 — направления вихревых
токов; 5 — холодильник, 6 — загрузочный бункер.
помещена в индуктор, питаемый от лампо-
вого генератора током частотой 10—
30 МГц; в нее сверку подают газ (воздух,
аргон) и обрабатываемый материал; снизу
к трубе примыкает холодильник. При опус-
кании в трубу в зону индуктора поджига-
ющего электрода последний раскаляется и
разогревает газ вокруг себя. Газ ионизиру-
ется, становится электропроводящим, и в
нем индуцируются круговые вихревые токи,
образующие в середине трубы яркое
^2
плазменное ядро; поджигающий электрод убирают,
и ядро поддерживается за счет энергии генератора. Попа-
дающие в ядро частицы обрабатываемого материала
мгновенно испаряются (температура ядра достигает
15000—20 000 К) и, попадая затем в холодильник, засты-
вают, выпадая в виде мелкодисперсного порошка. Этот
порошок при условии очистки подаваемого сверху газа
ничем не загрязнен, так как кварцевая труба выполняется
с двойными стенками с водяным охлаждением.
4.7.	ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТАНОВКИ
Принцип электронного нагрева заключается в следу-
ющем. Если поместить два электрода в глубокий вакуум
и нагреть катод до температуры более 2000 К, то он нач-
нет эмиттировать электроны, которые под действием элек-
трического поля направятся к аноду. В вакууме при дав-
лении 10-2—10-3 Па практически отсутствуют нейтраль-
ные частицы, положительно заряженные ионы не
образуются, и ток можно считать чисто электронным.
Если ускоряющая электроны разность потенциалов
достаточно велика, то при подходе к аноду электроны
приобретают такую скорость, а следовательно, и кинети-
ческую энергию, что оказываются способными разогре-
вать анод своими ударами. При этом электрическая энер-
гия превращается в тепловую в тонком поверхностном
слое анода; дальнейшее распространение теплоты в пос-
леднем происходит теплопроводностью и конвекцией (ес-
ли анод жидкий, например, жидкометаллическая ванна).
247
Рис. 4.33. Схема ЭЛУ с кольцевым ка-
тодом.
При еще ббльших скоростях элек-
тронов в результате бомбарди-
ровки анода электронным пуч-
ком возникает рентгеновское из-
лучение аналогично тому, как это
имеет место в рентгеновских
трубках.
В электронном пучке электро-
ны отталкиваются друг от друга
и пучок расширяется. Поэтому
если необходимо получить ост-
рый, сконцентрированный пучок,
то ускоряющее напряжение дол-
жно быть весьма высоким, а на
пути пучка следует применять
магнитную фокусировку, сжимая
его магнитным полем. Практиче-
ски при широком несфокусиро-
ванном пучке (установки с коль-
цевым катодом и радиальными
пушками) ускоряющие напряже-
ния составляют 5—15 кВ, а при
сфокусированном луче (установки с аксиальными пуш-
ками) — 30—40 кВ; при работе с остро сфокусирован-
ным лучом (сварочные установки) ускоряющие напря-
жения равны 70—100 кВ.
Если ускоряющее напряжение превосходит 20 кВ, то
приходится принимать меры по защите персонала от
рентгеновского излучения. При напряжениях до 40 кВ
установки заключают в стальной кожух толщиной не ме-
нее. 15. мм, в гляделках применяют свинцовое стекло тол-
щиной 40 мм; при более высоком напряжении кожух
обкладывают свинцовыми листами.
Электронно-лучевая установка состоит из устройства
для получения и формирования электронного пучка, ра-
бочей камеры с расплавляемым электродом и кристалли-
затором (плавильная печь, рис. 4.33) или с нагреваемым
материалом (нагревательная печь) и откачной системы,
поддерживающей в катодной области на пути пучка дав-
ление не более 10-2 Па.
24В
Таким образом, в электронно-лучевой установке
(ЭЛУ) источник энергии вынесен из объема, где осущест-
вляется технологический процесс, и поэтому в отличие от
ВДП и печей ЭШП его мощность можно регулировать
независимо от того, что происходит в рабочей камере
ЭЛУ. Это позволяет перегревать металл в нужных преде-
лах, осуществлять его выдержку при постоянной темпе-
ратуре, необходимой для глубокой очистки от примесей
и газов, проводить операции рафинирования с использо-
ванием шлаков. Это дает воз�