Принцип работы печи сопротивления

Наиболее распространенным видом электрических печей являются электропечи сопротивления (ЭПС), т. е. печи, в которых электрическая энергия превращается в теплоту в твердых или жидких телах при протекании через них тока.

Практически во всех отраслях народного хозяйства ЭПС применяются для нагрева, термической и химико-термической обработки, пайки, обжига, сушки, спекания различных металлических, керамических и других изделий, а также для плавки цветных металлов.

Наибольшее распространение ЭПС получили в машиностроении: для отжига, нормализации, нагрева под закалку, отпуска, старения, нагрева под горячую деформацию (ковку, штамповку, прокатку), газовой цементации, азотирования, нитроцементации, аустенизации и т. д. Большое применение ЭПС нашли в химической и строительной промышленности: для производства монокристаллов, синтетического волокна, пластмасс, синтетических смол, вулканизации резины, производства стекла, электроподогрева бетона и т. д., в электронной промышленности — для изготовления электронных приборов, в пищевой промышленности— для хлебопечения, сублимации различных продуктов.

Электрические печи сопротивления делятся на печи косвенного действия, в которых электрический ток протекает по нагревательным элементам, выделяя в них теплоту, передающуюся нагреваемым изделиям излучением, конвекцией, теплопроводностью, и на печи прямого действия (установки электроконтактного нагрева), в которых ток протекает непосредственно через нагреваемые тела, благодаря чему в них выделяется теплота.

В вакуумных печах теплопередача осуществляется только излучением; в большинстве же печей косвенного действия теплопередача осуществляется одновременно излучением и конвекцией, при этом в печах с температурой выше 700 °С преобладает излучение, в низкотемпературных печах и в печах с принудительной циркуляцией атмосферы—конвективная теплопередача. В печах с жидким теплоносителем, в который погружены нагреваемые изделия, теплота передается конвекцией и теплопроводностью. В этих печах сам жидкий теплоноситель может нагреваться благодаря протекающему через него току или от нагревательных элементов, погруженных в жидкость (ванны с внутренним обогревом) или находящихся за тиглем с жидкостью (ванны с внешним обогревом).

В печах прямого нагрева изделия, как правило, имеющие правильную форму сечения (стержни, прутки, проволока), включаются через специальные контакты в электрическую цепь. К этой же группе печей можно отнести стекловаренные печи (в том случае, когда через жидкое стекло протекает ток), электродные водонагреватели, печи для получения карборунда, электрографита. К этой же по принципу выделения теплоты группе печей можно отнести печи для электрошлакового переплава, но так как по конструкции и назначению эти печи ближе к дуговым, они будут рассмотрены в гл. 2.

Электропечи сопротивления можно классифицировать также по температурам, при которых они работают. Это — низкотемпературные ЭПС (до 600—700 °С), среднетемпературные (от 600—700 до 1250 °С) и высокотемпературные (выше 1250°С).

Электропечи, предназначенные для различных температур, различаются и конструктивно. В низко – и средне-температурных ЭПС применяются металлические нагреватели из хромоникелевых, железохромоалюминиевых и других сплавов; в высокотемпературных ЭПС применяются нагревательные элементы из неметаллических материалов
(карборунда, графита, дисилицида молибдена, хромита лантана, окиси циркония) и тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, тантала).

Применение отличающихся друг от друга материалов привело и к различным конструкциям нагревателей, а следовательно, и к различным конструкциям ЭПС.

Кроме того, материалы, применяемые для высокотемпературных нагревателей, имеют большой температурный коэффициент электрического сопротивления и заметно «стареют», т. е. увеличивают со временем электрическое сопротивление. В связи с этим для их электропитания требуются понижающие трансформаторы или автотрансформаторы с широким диапазоном изменения вторичного напряжения.

В низкотемпературных электропечах между нагревательными элементами и нагреваемыми изделиями довольно часто устанавливают экраны, чтобы предохранить изделия от непосредственного излучения на них нагревателей; в среднетемпературных ЭПС это делается реже; в высокотемпературных ЭПС это практически исключено, так как приведет к перегоранию нагревателей.
В низкотемпературных ЭПС, предназначенных для сушки, устраиваются отверстия, позволяющие организовать сквозную тягу воздуха.

В низко – и среднетемпературных ЭПС для интенсификации нагрева и улучшения равномерности температур в рабочем пространстве вводят принудительную циркуляцию атмосферы, для чего устанавливается вентилятор, конструируется определенный аэродинамический тракт и, чтобы уменьшить расход теплоты, организуется циркуляция воздуха только внутри электропечи.

Так как в настоящее время еще нет металлов и сплавов, способных надежно работать с механическими нагрузками в условиях высокотемпературных ЭПС, то эти ЭПС не имеют механизмов, выполненных из металла и работающих внутри электропечей для перемещения изделий.

Различаются требования и к футеровкам для низко средне – и высокотемпературных ЭПС, а следовательно, и их конструкции. Низкотемпературные ЭПС довольно часто имеют внутри металлический каркас, и пространство между ним и наружным каркасом заполняется легкой теплоизоляцией (например, минеральной ватой). Средне – и высокотемпературные ЭПС имеют двух-, трех – и даже четырехслойные футеровки; в ряде высокотемпературных вакуумных ЭПТ применяется .экранная теплоизоляция,
Электропечи сопротивления могут быть также классифицированы как ЭПС нагревательные и плавильные. Плавильные ЭПС преимущественно применяются для плавки легкоплавких цветных металлов и их сплавов.

По режиму работы ЭПС могут быть разделены на ЭПС периодического (садочного) и непрерывного (методического) действия.
В ЭПС периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство и нагреваются в нем, не перемещаясь. Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС периодического действия в каждый момент времени одинаковы или имеют определенные значения, однако могут изменяться во времени.

В ЭПС непрерывного действия изделия загружаются в печь и, непрерывно или периодически перемещаясь по длине электропечи, нагреваются и выходят с другого конца нагретыми до определенной температуры. Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС непрерывного действия могут быть различными или одинаковыми, однако они не изменяются во времени.
Естественно, что ЭПС непрерывного действия позволяют обеспечить большую производительность при тех же габаритах однородных деталей, чем ЭПС периодического действия; кроме того, воспроизводимость, т. е. идентичность режима нагрева и охлаждения, в ЭПС непрерывного действия также лучше. В связи с этим ЭПС непрерывного действия находят применение там, где имеется большое количество однородных деталей, т. е. при крупносерийном и массовом производстве, например в термических цехах подшипниковых и автомобильных заводов.

Электропечи периодического действия эффективно применять там, где имеется большое количество разнородных деталей, требующих различных режимов нагрева.

Электропечи непрерывного действия оборудуются приспособлениями для перемещения деталей, поэтому они конструктивно сложнее, чем печи периодического действия.

В зависимости от способа загрузки и выгрузки изделий, а также способа их перемещения в рабочем пространстве ЭПС подразделяются на различные типы:
электропечи периодического действия — на камерные, шахтные, колпаковые, камерные с выдвижным подом, элеваторные;
электропечи непрерывного действия — на конвейерные, толкательные, рольганговые, карусельные, с шагающим подом, пульсирующим подом, барабанные, протяжные, туннельные.

Для характеристик ЭПС определены основные и вспомогательные параметры. За основные параметры приняты размеры рабочего пространства и номинальная температура.

Рабочим пространством ЭПС называется пространство внутри нее, в пределах которого могут размещаться нагреваемые детали и обеспечивается требуемый режим нагрева при заданной равномерности температуры; при нагреве насыпной загрузки рабочее пространство ограничивается размерами подовой плиты, поддона, барабана, конвейерной ленты.

Рабочее пространство ЭПС определяется шириной, высотой и длиной, а цилиндрической ЭПС — диаметром и длиной.
Номинальной температурой ЭПС называется максимальная температура, до которой может быть нагрета загрузка и на которую рассчитывается ЭПС. Электропечи должны допускать возможность превышения номинальной температуры до 50 °С при соответствующем снижении зависящих от температуры показателей.

Кроме основных параметров каждая ЭПС характеризуется вспомогательными параметрами, такими как установленная мощность, производительность, количество тепловых и электрических зон, мощность потерь холостого хода и т. д.
Главные параметры находят отражение в обозначениях серийных электропечей, обозначение состоит из дроби, числитель дроби имеет три буквы: первая определяет способ нагрева: С — нагрев сопротивлением; вторая — тип ЭПС по основному конструктивному параметру: Н—камерная, Ш — шахтная, Г — колпаковая, Д — камерная с выдвижным подом, Э — элеваторная; К—конвейерная, Т — толкательная, Р — рольганговая, А—карусельная, Ю — с шагающим подом, И — с пульсирующим подом, Б — барабанная, П — протяжная и Л — туннельная. Третья буква определяет характер среды в рабочем пространстве ЭПС: О — окислительная (воздушная, кислород), 3 — защитная (эндогаз, экзогаз и т. д.), Ц—цементационная, Н—водородная, А—азотирующая, В—вакуум. После букв следуют три числовых значения, определяющие размеры рабочего пространства печи в дециметрах (ширина, длина, высота). Знаменатель дроби определяет номинальную температуру печи в сотнях градусов Цельсия.
Например, СНО — камерная электропечь сопротивления с окислительной атмосферой с размерами рабочего пространства: шириной — м, длиной — м, высотой — м и номинальной температурой — °С СКЗ — конвейерная электропечь сопротивления с защитной атмосферой с размерами рабочего пространства: шириной — м, длиной — м, высотой — м и номинальной температурой — °С.

Печи сопротивления по способу превращения эл. энергии в тепловую разделяются на печи косвенного действия и установки прямого нагрева.

Они работают на принципе превращения эл. энергии в тепловую при протекании тока через твердые или жидкие тела.( Эффект Джоуля).