Нагревательные и плавительные электротехнологические установки

Введение

В современном мире сложно представить жизнь человека без применения в ней какого-либо технологического девайса, например, мобильного телефона, компьютера или т.п. Данные устройства очень разнообразны и классифицируются по принципу работы, потреблению и другим характеристикам. Их использование позволяет достичь максимального удобства для развития человека и создания комфортных условий для его жизни.
Как мы видим, наша жизнь очень активно насыщаются также различными электротехнологическими установками. Это проявляется особенно в нашей стране, относящейся к одной из передовых в области нефтяной и газовой программ. Строятся новые электростанции, возводятся заводы по производству современных материалов электронной техники, создаются новые материалы с новыми, более лучшими свойствами. И все это происходит благодаря массовому внедрению в производство электротехнологических установок.
В данной работе мы познакомимся с общими понятиями электротехнологических установок, их характеристика и классификацией, а также рассмотрим основные виды нагревательных и плавительных электротехнологических установок.

1. Электротехнологические установки: основные понятия, характеристики и классификации

Под электротехнологической установкой понимается устройство, где имеет место преобразование электрической энергии в другой вид, при этом наблюдается одновременное выполнение технологического процесса. В каждой из установок имеется:
- свой рабочий орган (ионная пушка, дуговой реактор и т.п.),
- источник питания;
- вспомогательное оборудование (системы подачи охлаждающей жидкости, газа и т.п.).
Для правильного использования, монтажа и технического обслуживания данных установок необходимо знание выполняемого ими технологического процесса.
В зависимости от влияния рабочего органа на обрабатываемое вещество, выделяют электротермические, электрохимические, электромеханические и электрокинетические установки.
Установки, где электрическая энергия служит для нагрева изделий и материалов, называется электротермической. Можно отметить, что для преобразования энергии в данных установках существует огромное количество способов, а именно:
- резистивный нагрев;
- нагрев индукцией;
- нагрев диэлектриком;
- дуговой нагрев;
- нагрев с помощью электроннолучевых трубок;
- нагрев с помощью лазера;
- плазменный нагрев.
Те из установок, где на нагрев материалов и изделий затрачивается энергия электрохимического действия тока, называются электрохимическими и электрофизическими. Выделяют следующие их основные виды:
- электролизные;
- электрохимические;
- электроэрозионные;
- электрохимико-механические установки.
В случае, если воздействие электрического тока приводит к каким-то механическим усилиям, то установки принято называть электромеханическими. К наиболее распространенным относятся:
- магнитоимпульсные;
- электромагнитные;
- электрогидравлические;
- ультразвуковые.
Установки, работа которых основана на эффекте электронно-ионной технологии, называются электрокинетическими. Можно выделить следующие этапы в данной технологии: электризация вещества, создание направленного движения в электрическом поле и т.д.
В настоящее время получают широкое развитие следующие виды электроустановок:
- электрогазоочистка – это установка, предназначенная для отделения из воздушного (газового) потока жидких частиц или твердых тел;
- электросепарация – это установка, созданная с целью дробления на составные части многокомпонентных систем;
- электроокраска – это установка, используемая для нанесения покрытия на изделия и т.п.

2. Нагревательные и плавительные электротехнологические установки

2.1 Электротермические установки
2.1.1 Общие сведения
Работа данного вида установок основана на использовании закона Джоуля-Ленца: при протекании электрического тока по проводящему материалу он выделяет теплоту, которая впоследствии используется для его нагрева. Согласно физической формуле, количество теплоты, выделяемое при протекании тока через проводник, прямо пропорционально квадрату силы тока, времени его протекания и сопротивлению проводника.
На практике применяется два вида нагрева проводника - прямой и косвенный. При прямом нагреве все тепло, выделяющееся при протекании тока, расходуется на нагрев проводника, являющегося, очевидно, нагревательным элементом. В случае же косвенного нагрева изделия, которые необходимо разогреть, получают тепло методами излучения тепловой энергии и конвекции от отдельных нагревателей, которые и являются проводниками тока. При этом, в обоих методах объект, подлежащий нагреву, может находится абсолютно в любом агрегатном состоянии.
Основные области применения данных установок:
- сушка изделий после пропитки, окраски;
- сушка помещений;
- подогрев газов;
- отопления помещений;
- разогрев материалов т т.п.

2.1.2 Электрические печи сопротивления (ЭПС)
Область применения данных устройств достаточно обширная: это и металлургия, и жиличное хозяйство, машиностроение и т.д

. В зависимости от их назначения, все ЭПС делятся на 2 группы:
- нагревательные - это ЭПС, используемые для выполнения операций над металлами (сушка, обжиг, нагрев и т.д.);
- плавильные - это ЭПС, которые применяются для плавки металлов.
К основным преимуществам данных печей можно отнести компактность, простоту в управлении их параметрами и возможность достижения любых необходимых температур внутри данных камер для выполнения необходимых операции с металлами.
Мощность современных может достигать нескольких мегаватт, поэтому их подключение к питающим сетям (при высоких мощностях) осуществляется через трансформаторы. Однако большинство из них подключаются к сети без трансформаторов вследствие того, что они предусмотрены в их конструкции. Имеет смысл устанавливать в цепи понижающие трансформаторы с целью увеличения потребляемого тока и, соответственно, сечения используемых проводников, что увеличивает прочность данных установок и их надежность.
Оборудование, применяемое в ЭПС, разделяется на:
- силовое (блоки питания, силовые блоки, устройства защиты и т.п.);
- устройства управления;
- контрольно-измерительное приборы.
ЭПС, работающие на производстве, эксплуатируются в режимах автоматической регулировки температуры, что позволяет уменьшить расход электроэнергии на предприятии. Она может осуществляться либо путем циклического подключения/отключения печи от сети, либо переключением печи с о звезды на треугольник (или с последовательного соединения на параллельное). Первый вариант называется двухпозиционным регулированием, второй - трехпозиционным.

2.1.2.1 Нагревательные печи
Данная разновидность печей состоит из футерованной камеры, где расположены нагреватели, по которым пропускается электрический ток, и рабочее изделие, которому передается тепло от нагреваемого.
Все нагревательные печи можно классифицировать следующими образами:
1. По принципу действия:
- прямые;
- косвенные;
2. По уровню достигаемых температур:
- низкотемпературные - до 650 °С;
- среднетемпературные - до 1250 °С;
- высокотемпературные - свыше 1250 °С;
3. По режиму работы
- периодические (камерные, шахтные, колпаковые и элеваторные);
- непрерывные (конвейерные, рольганговые, карусельные, с шагающим подом, барабанные и протяженные;

2.1.2.2 Плавильные печи
Данные печи используются для выплавки металлов и их сплавов, имеющих температуру плавления 327-527 °С. Данные печи могут быть выполнены в тигельном или камерном вариантах.
Тигельные печи представляют собой металлический сосуд - тигель (из чугуна с внутренней обмазкой оксидами), помещенный в цилиндрический корпус из огнеупорного материала и покрытый снаружи металлическим кожухом. Между тиглем и футеровкой размещены электрические нагреватели.
ЭПС оборудована механическим дозатором. Дозирование металла в промежуточный ковш робота-манипулятора или литейную форму производится с помощью механических, пневматических или электромагнитных устройств. Механический вытеснитель размещен на каретке, движущейся вверх и вниз по направляющей колонке. После расплавления металла и доведения его температуры до необходимого уровня вытеснитель опускается в тигель и вытесняет порцию металла, которая по обогреваемому желобу поступает в литейную машину. Тигельные ЭПС других конструкций имеют механизм наклона, позволяющий наклонять печь и сливать расплавленный металл. Удельный расход электроэнергии при плавке алюминия 700–750 кВт·ч/кг, КПД печи 50–55 %.
Камерные печи по объему больше тигельных и применяются для переплавки алюминия на слитки. Удельный расход электроэнергии при работе ЭПС ванного типа составляет 600–650 кВт·ч/кг, а КПД 60–65 %. Во всех типах ЭПС возможны два способа обогрева – внутренний и внешний. При внутреннем обогреве нагреватели размещены в расплавленном металле и работают при температуре не выше 800–850 К. При внешнем расположении открытые высокотемпературные НЭ позволяют получить температуры в рабочем пространстве печи 1100–1200 К.

2.2 Электроустановки индукционного нагрева
В таких установках используется физический закон Джоуля-Ленца: за счет воздействия электромагнитной энергии в телах возникают вихревые токи и нагревают их. Имеется возможность отрегулировать зону протекания вихревых полей.
Величина зазора определяет эффективность передачи энергии от индуктора к нагревателю, глубина нагрева зависит от сопротивления тела и частоты тока (рабочие значения достигают сотен тысяч кГц). Величина данного тока может достигать нескольких тысяч ампер. Потери мощности в индукторах могут достигать 20–30 %.
Данный вид нагрева применяется в следующих областях промышленности:
- плавка металлов и неметаллов;
- закалка поверхностей;
- пластическая деформация изделий за счет нагрева;
- сварка и пайка;
- зонная очистка полупроводников и металлов;
- рост монокристаллов;
- получение плазмы.
Среди основных достоинств таких электроустановок можно выделить следующие:
- высокая скорость нагрева;
- хорошие условия труда;
- возможность контроля за шириной и глубиной прогрева путем изменение величины создаваемого вихревого тока;
- автоматизированный техпроцесс;
- широкий диапазон рабочих температур;
К недостаткам установок такого типа можно отнести:
- усложнение применяемых источников питания;
- высокие энергозатраты.
Все типы индукционных электротехнологических установок можно разделить на:
- плавильные;
- нагревательные;
- закалочные.

2.2.1 Индукционные плавильные печи
Работа данных печей основана на постоянном тепловом движении металла, находящегося в жидком состоянии, в тигле