Электрический нагрев имеет широкое распространение в различных отраслях промышленности. Электрические печи используются как агрегаты для производства высококачественной стали, ферросплавов, цветных металлов, для нагрева под термообработку и термохимическую обработку, для нагрева под ковку и штамповку.

Преимущество электронагрева по сравнению с нагревом в пламенных печах заключается в следующем: возможность достижения высоких температур; обеспечение больших скоростей нагрева; обеспечение высокой точности и равномерности нагрева вследствие легкости регулирования электрического и температурного режимов; возможность более надежной герметизации электропечей и в связи с этим обеспечение возможности нагрева в вакууме, нейтральных и контролирующих атмосферах, что позволяет вести нагрев и плавку при низком угаре металла и более полного использования легирующих добавок; возможность широкой механизации и автоматизации технологических процессов. Основным и единственным недостатком электронагрева является относительная дороговизна электроэнергии. Электрические печи подразделяются на: дуговые, индукционные, диэлектрические, печи сопротивления. В последнее время применяются электронные и плазменные печи.

При дуговом нагреве превращение электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге. Эти печи делятся на три группы: с зависимой, независимой и закрытой дугой.

В печах первой группы электрическая дуга возникает между одним или несколькими электродами и нагреваемым металлом. В этом случае основная часть мощности от электрической дуги передается поверхности металла излучением, а тепло в массе металла распространяется за счет теплопроводности и конвекции (дуговые электросталеплавильные печи).

В печах второй группы электрическая дуга горит между двумя электродами на некотором расстоянии от металла. Поверхность металла в этом случае получает тепло исключительно в результате лучеиспускания.

В печах третьей группы электрическая дуга горит под слоем твердой шихты между одним или несколькими электродами и расплавом. Печи с закрытой дугой относятся к агрегатам смешанного типа, в которых нагрев осуществляется электрической дугой или по способу сопротивления в зависимости от данного технологического процесса.

В зависимости от масштабов производства, требований, предъявляемых к качеству выплавляемого металла и целого ряда других факторов, в цехах заготовительного и фасонного литья цветных металлов применяют различные типы плавильных печей.

По виду используемой для плавки сплавов энергии все плавильные печи делят на топливные и электрические. Топливные печи подразделяют на тигельные, отражательные и шахтно-ванные. Электрические печи классифицируют в зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые, электронно-лучевые и плазменные.

В электрических печах сопротивления нагрев и расплавление шихты осуществляются за счет тепловой энергии, поступающей от электронагревательных элементов, установленных в своде или в стенках плавильной печи. Эти печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных и свинцовых сплавов.

Индукционные печи по принципу работы и конструкции подразделяют на тигельные и канальные. Тигельные печи в зависимости от частоты питающего тока классифицируют на печи повышенной [ (0,15-10) - 10^6 пер/с] и промышленной частоты (50 пер/с).

Независимо от частоты питающего тока принцип работы всех индукционных тигельных печей основан на индуктировании электромагнитной энергии в нагреваемом металле (токи Фуко) и превращении ее в тепловую. При плавке в металлических или других тиглях, изготовленных из электропроводных материалов, тепловая энергия передается к нагреваемому металлу также стенками тигля. Индукционные тигельные печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов, а также сталей и чугунов.

Индукционные канальные печи используют для плавки алюминиевых, медных, никелевых и цинковых сплавов. Помимо плавильных печей, применяют также индукционные канальные миксеры, служащие для рафинирования и поддержания температуры жидкого металла на заданном уровне. Плавильно-литейные комплексы, состоящие из

плавильной печи - миксера - литейной машины, используют при литье слитков из алюминиевых, магниевых и медных сплавов непрерывным методом. Принцип тепловой работы канальных индукционных печей аналогичен принципу работы силового электрического трансформатора тока, состоящего, как известно, из первичной катушки, магнитопровода и вторичной катушки. Роль вторичной катушки в печи играет короткозамкнутый канал, заполненный жидким металлом. При пропускании тока через индуктор печи (первичная катушка) в заполненном жидким металлом канале индуцируется электрический ток большой величины, который разогревает находящийся в нем жидкий металл. Тепловая энергия, выделяемая в канале, нагревает и расплавляет металл, находящийся над каналом в ванне печи.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла от электрической дуги к нагреваемому металлу подразделяются на печи прямого и косвенного нагрева.

В печах косвенного нагрева большая часть тепловой энергии от горячей дуги передается к нагреваемому металлу излучением, а в печах прямого действия - излучением и теплопроводностью. Печи косвенного действия применяют в настоящее время ограниченно. Печи прямого действия (электродуговые вакуумные с расходуемым электродом) используют для плавки тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, а также легированных сталей, никелевых и других сплавов. По конструкции и принципу работы электродуговые печи прямого действия делятся на две группы: печи для плавки в гарнисажном тигле и печи для плавки в изложнице или кристаллизаторе.

Электронно-лучевые плавильные печи применяют для плавки тугоплавких и химически активных металлов и сплавов на основе ниобия, титана, циркония, молибдена, вольфрама, а также для ряда марок сталей и других сплавов. В основе принципа электронно-лучевого нагрева лежит преобразование кинетической энергии потока электронов в тепловую при их встрече с поверхностью нагреваемой шихты. Выделение тепловой энергии происходит в тонком поверхностном слое металла. Нагрев и плавление проводят в вакууме при остаточном давлении 1,3 - 10^-3 Па. Электронно-лучевую плавку используют для получения слитков, и фасонных отливок. При электроннолучевой плавке можно значительно

перегревать жидкий металл и длительное время выдерживать его в жидком состоянии. Это преимущество позволяет эффективно рафинировать расплав и очищать его от ряда примесей. С помощью электронно-лучевой

Плавки из металла могут быть удалены все примеси, давление пара которых существенно превышает давление пара основного металла. Высокая температура и глубокий вакуум способствуют также очистке металла от примесей за счет термической диссоциации оксидов нитридов и других соединений, находящихся в металле. Печь электрошлакового переплава ЭШП по принципу работы представляет собой печь сопротивления косвенного нагрева, в которой источником тепла является ванна расплавленного шлака заданного химического состава. Переплавляемый металл в виде расходуемого электрода погружают в слой (ванну) жидкого электропроводного шлака. Через расходуемый электрод и шлак пропускают электрический ток. Шлак разогревается, торец расходуемого электрода оплавляется и капли жидкого металла, проходя через слой химически активного шлака, очищаются в результате контакта с ним и формируются в изложнице в виде слитка. Шлак защищает жидкий металл - от взаимодействия с атмосферой воздуха. Печи ЭШП в основном применяют для получения слитков из высококачественных сталей, жаропрочных, нержавеющих и других сплавов. Метод ЭШП используют также для производства крупных фасонных отливок: коленчатых валов, корпусов, арматуры и других изделий.

В плазменных плавильных печах источником тепловой энергии является поток нагретого до высокой температуры ионизированного газа (плазменная дуга), который при соприкосновении с металлом нагревает и расплавляет его. Для получения потока плазмы плавильные печи оборудуют специальными устройствами - плазмотронами. Плазменный способ нагрева и плавления сплавов применяют в печах ванного типа, в плавильных установках для получения слитков в кристаллизаторе и для плавки металлов в гарнисажном тигле.

Плазменные печи ванного типа в основном применяют для плавки сталей, а также сплавов на основе никеля. Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе могут использоваться для получения слитков из сталей, бериллия, молибдена, ниобия, титана и других металлов. Плазменные печи для плавки в гарнисажном тигле предназначены для фасонного литья сталей, тугоплавких и химически активных металлов.

Электрические печи широко применяются в литейных цехах. Они используются для плавки сплавов, термообработки отливок, сушки литейных форм, стержней и т.п. В электропечах значительно легче производить регулировку температуры в рабочем пространстве с достаточно высокой точностью В электропечах намного легче создать требуемую печную атмосферу. Рабочее пространство электропечей легче герметизировать. Это позволяет осуществить нагрев материала в защитных атмосферах, в том числе и в вакууме. Электрические печи периодического действия с конвективным режимом теплообмена могут работать в замкнутом цикле рециркуляции печной атмосферы, что значительно повышает к. п. д. печей и создает условия тепловой обработки материала (изделий) в неизменной печной атмосфере заданного состава.

Превращение электрической энергии в тепловую в электропечах производят следующим образом:

в твердых, жидких или газообразных проводниках электрического тока (резисторах) при приложении к ним внешней Э.Д. С.;

в рабочем теле при помещении его в переменное электромагнитное поле и индуцировании в нем Э.Д. С.;

в поверхностном слое рабочего тела при его бомбардировке потоком электронов, ускоренных в вакууме;

в поверхностном слое рабочего тела при воздействии на него светового электромагнитного потока сверхвысокой плотности;

в газе при его ионизации и изменении кинетической энергии воздействием внешних электрических сил (Э.Д.С., электромагнитного поля и т.д.).

В зависимости от способа превращения электроэнергии в тепловую, печи подразделяются на дуговые, индукционные, сопротивления, плазменные, электрошлаковые, солевые, электроннолучевые и аэродинамического нагрева.

Классификация электрических печей по способу преобразования электрической энергии в тепловую.

Дуговые печи используют в качестве плавильных. Тепловая энергия в этих печах генерируется в газообразном проводнике при приложении к нему разности электрических потенциалов. При воздействии разности потенциалов возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия. Электроны ускоряются и производят ударную ионизацию молекул газа. Газ частично ионизируется, его электросопротивление резко падает. Все это приводит к "загаранию" дуги в данной зоне. При атмосферном давлении температура кратера дуги достигает значений 3000-4000 К, а температура в канале электрической дуги - 5000-6000К.

Классификация дуговых печей

В зависимости от источника тока дуговые печи могут быть переменного или постоянного тока.

В зависимости от места образования дуги в рабочем пространстве дуговые печи подразделяются на печи с зависимой (прямого действия) или независимой (косвенного действия) дугой. Конструктивные схемы дуговых плавильных печей представлены на рис.

Рисунок 1. Схемы дуговых плавильных печей: а - барабанной поворотной с независимой дугой; б - ванной поворотной с зависимой дугой переменного тока; в - ванной поворотной с зависимой дугой постоянного тока; 1 - электрод; 2 - сплав; 3 - анод

Печи с зависимой дугой или печи прямого действия переменного тока (см. рис.1. б) получили широкое распространение для плавки чугуна и стали. В данных печах дуга “горит” между электродом и металлической садкой (шихтой или расплавом). По форме рабочего пространства эти печи относятся к печам ванного типа.

Дуговые печи выполняются с кислой и с основной огнеупорной футеровкой, в зависимости от технологического процесса плавки (кислого

или основного). Современные дуговые печи имеют прогрессивную систему подъема и поворота свода для открывания печей под загрузку через верх. Печи типа ДС-6Н1 имеют выкатную ванну. Вообще, в зависимости от способа открывания печи для загрузки шихты сверху, различают печи с поворотным сводом (серия ДСП) и с выкатным корпусом (серия ДСВ). В печах серии ДСП свод подвешен к полупорталу Г-образной конструкции из балок коробчатого сечения, а серии ДСВ - к порталу П-образной конструкции. Все дуговые электропечи имеют современную систему автоматического перемещения электродов; при этом у всех печей, кроме ДС-6Н1, эта система выполнена электрогидравлической. Печи емкостью более 25 т оборудуются устройствами для электромагнитного перемешивания металла и могут иметь механизмы вращения ванны металла. На всех печах применены усовершенствованные электродные уплотнения.

4. Исследование работы аналогичных устройств

Затем в печь загружают флюс, состоящий из извести, плавикового шпата и шамотного боя. Флюс - материал, вводимый в плавильные печи или ковши для образования жидких шлаков, очищающих металл от нежелательных примесей. После расплавления флюсов и образования шлака в печь вводят раскислительную смесь, состоящую из извести, плавикового шпата, молотого кокса и ферросилиция. Молотый кокс и ферросилиций вводят в порошкообразном виде. Они очень медленно проникают через слой шлака. В шлаке восстанавливается закись железа

При этом содержание закиси железа в шлаке снижается, и она из металла согласно закону распределения начинает переходить в шлак. Этот процесс называют диффузионным раскислением стали. Раскислительную смесь вводят в печь несколько раз. По мере раскисления и понижения содержания FeO цвет шлака изменяется, и он становится почти белым.

Раскисление под белым шлаком длится 30 - 60 минут.

Во время восстановительного периода сера удаляется из металла, что объясняется высоким (до 55 - 60%) содержанием CaO в металле и низким (менее 0,5%) содержанием FeO. Это способствует интенсивному удалению серы из металла.

По ходу восстановительного процесса берутся пробы для определения химического состава металла. При необходимости в печь вводят ферросплавы для достижения заданного химического состава стали. Когда достигнуты заданные состав металла и температура, выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием. После этого следует выпуск металла из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Никель и молибден обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо, их вводят в период плавления или в окислительный период. Хром легко окисляется, и его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий, титан - перед выпуском металла из печи в ковш, так они легко окисляются.

Рисунок 3. Технологическая схема производства стали в дуговой сталеплавильной печи.

Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водорода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассортировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компактным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порция для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. После частичного расплавления первой корзины засыпают вторую. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей.

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и наверх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Дуговые печи, являющиеся плавильными агрегатами периодического действия, в основном используются для плавки стали, а в ряде случаев чугуна в литейных цехах.

5. работа и принцип действия устройств