 |
Нагрев сопротивлением жидких сред
|
|
|
|
Электрические котлы. Они применяются в различных отраслях народного хозяйства для подогрева воды (электронагреватели) и получения насыщенного технологического пара низкого давления (электропарогенераторы).
Жидкость (вода, расплавы солей, щелочей, оксидов) может быть нагрета прямым пропусканием тока через их объем. Установки такого типа служат для кипячения воды, варки стекла, термообработки металлов. Электроводонагреватель прямого действия представляет собой стальной цилиндрический сосуд, на верхней крышке которого расположены стержневые электроды и охватывающие их трубчатые антиэлектроды. Между ними находятся стеклотекстолитовые цилиндры. Мощность, развиваемая котлом, регулируется изменением положения изоляционных цилиндров относительно системы электродов и антиэлектродов.
Номинальный режим работы котла рассчитан на нагрев воды с удельным электрическим сопротивлением 3000 
. Изменения солесодержания в рабочей воде для получения номинального значения удельного электрического сопротивления достигается добавлением в систему либо раствора соли, либо дистиллированной воды. Возможна работа котла и на воде с иным удельным сопротивлением, однако, во избежание чрезмерного увеличения поверхностной плотности тока на электродах и образования гремучего газа значение его должно составлять 1000-5000 . Температура выходящей воды автоматически поддерживается в нужных пределах датчиком регулирующего термометра.
Электрические парогенераторы. Парогенератор представляет собой комплект оборудования и аппаратов в который входит парогенератор, питательный бак, насос, соединительные трубопроводы, приборы контроля и управления. Парогенератор (рис 1.10) имеет электроды цилиндрической формы 10 и нулевой электрод 3, выполненный в форме обечайки.
|
|
|
Рис.1.10. Схема электродного парогенератора: 1 – подвод воды; 2 – дно обечайки; 3 – нулевой электрод; 4 – корпус; 5 – токоподвод; 6 – крышка;
7 – изоляторы; 8 – отвод пара; 9 – шпилька; 10 – фазный электрод;
11 – днище; 12 – дренаж; 13 – опора
Мощность парогенератора регулируется, за счет изменения уровня воды между электродами и нулевым электродом. Работа парогенератора осуществляется в автоматическом режиме.
Стекловаренные печи. Их выполняют в виде ванны, выложенной изнутри огнеупорным материалом. Ванна имеет три зоны – варочное отделение, где происходит расплавление шихты и получение жидкой стекломассы, перетекающей по придонному каналу во второе – выработочное отделение, в котором уточняется рецепт стекла, перетекающего на выдачу с заданной температурой. Во всех отделениях в стекломассе находятся электроды из стали, молибдена, графита, обеспечивающие протекание тока через стекломассу и нагрев ее по закону Джоуля-Ленца. Стекловаренные печи имеют мощности от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт и питаются от понижающих трансформаторов с вторичным напряжением 50-200 В. Печи работают круглосуточно, обладают большой тепловой инерцией и являются спокойной электрической нагрузкой.
Жидкостные ЭПС. Они предназначены д ля быстрого и равномерного нагрева металлических изделий и заготовок в электродных ваннах, представляющих собой металлический или керамический тигель. Ванны наполнены солью или стекломассой, в который опущены металлические или металлокерамические электроды. В холодном состоянии соль почти не электропроводна, но если ее нагреть и расплавить, то между электродами начинает протекать электрический ток, и в расплаве, как в активном сопротивлении, выделяется тепловая энергия.
|
|
|
Теплофизические свойства расплавленных солей, щелочей, оксидов определяют интенсивный теплообмен между средой и погруженными в нее металлическими предметами, а также высокую однородность температурного поля ванны. Находясь в расплаве, изделия защищены от окисления, эта защита сохраняется и после изъятия из расплава, так как тонкая пленка его, остающаяся на изделиях, прочно закрывает их поверхность.
ЭПС с жидким нагревателем применяют для нагрева до 1100-1600 К изделий из легированных сталей перед закалкой, ковкой или штамповкой, а также отжига деталей из стали и чугуна (рис.1.11). Эти печи подключаются к сети переменного тока через понижающие трансформаторы с вторичным напряжением на электродах 10-35 В. По расположению электродов в объёме различают ванны с широко- и близко расположенными электродами. При широком расположении электродов возможно попадание изделий в межэлектродное пространство, шунтирование ими тока и перегрев изделий. Поэтому такие ванны применяются ограниченно. Наиболее широкое применение получили ванны с близким расположением погруженных или утопленных электродов.
Рис.1.11. Схемы электродных ванн с близко расположенными электродами: а, б – однофазные; в – трехфазные; 1 – уровень расплава соли;
2 – электроды; 3 – футеровка; 4 – кожух
В однофазных электродных ваннах электроды расположены попарно, расстояние между электродами 12-45 мм.
Вследствие возникновения конвективных потоков и магнитогидродинамических явлений происходит интенсивное перемешивание электролита и выравнивание температурного поля ванны.
Допустимая плотность тока на электродах устанавливается в пределах 1-2 
. В качестве рабочей среды наиболее часто применяются хлористые, фтористые, азотнокислые соли, щелочи либо в чистом виде, либо в различных смесях, преследуя цель снижения температуры плавления, обеспечение необходимого уровня электропроводности. Для запуска ванны или расплавления застывшего электролита применяют пусковые нагреватели, представляющие собой блок открытых нагревательных элементов, установленных на каркасе и погруженных в ванну.
К достоинствам соляных ванн следует отнести:
|
|
|
- высокую скорость нагрева и большую производительность по сравнению с другими нагревательными установками при равных габаритных размерах;
- легкость осуществления различных способов термической и термохимической обработки;
- защиту изделий от окисления в процессе их нагрева.
Недостатками соляных ванн являются:
- повышенный удельный расход электроэнергии вследствие увеличенных тепловых потерь с зеркала ванны и необходимости непрерывной работы установки;
- высокий расход расплавообразующего материала;
- тяжелые условия труда обслуживающего персонала.
Электрошлаковые процессы
Электрошлаковые процессы делятся на электрошлаковый переплав (ЭШП) и электрошлаковую сварку (ЭШС) и основаны на использовании явления разогрева расплава соединений шлака до 2000-2300 К проходящим по нему током. Эти процессы разработаны в Институте электросварки им. Е.О. Патона.
Сущность ЭШП состоит в следующем (рис.1.12).
Рис.1.12. Схема установки ЭШП
Расходуемый электрод из переплавляемого металла 1 погружается в слой электропроводящего шлака 2, находящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водоохлаждаемым поддоном 4.
Электрический ток протекает между электродом 1 и поддоном 4 через шлак 2, который имеет высокое электрическое сопротивление и интенсивно разогревается согласно закону Джоуля-Ленца. Находящийся в расплаве шлака 2 торец электрода 1 расплавляется и капли металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, где дополнительно разогреваются, очищаются от нежелательных примесей и собираются на дне кристаллизатора 3. Скопившийся металл застывает в виде слитка 5 в результате отвода теплоты в поддон 4 и стенки кристаллизатора 3. В верхней части слитка находится ванна расплавленного металла 6. По мере оплавления электрод 1 подается вниз. Между стенкой кристаллизатора и слитком образуется слой гарнисажа 7.
Основными факторами, определяющими улучшение качества металла при обработке в установках ЭШП, являются: химическое взаимодействие металла со шлаком; направленная кристаллизация слитка; формирование слитка металла в шлаковом гарнисаже с образованием гладкой поверхности.
|
|
|
Основное назначение ЭШП – производство слитков из высококачественных сталей: валковых, шарикоподшипниковых, нержавеющих, жаропрочных.
В зависимости от массы и формы выплавляемого слитка (круглая, прямоугольная, квадратная, трубчатая, фасонная и др.) печи для производства таких слитков имеют различные параметры и конструктивные решения. По количеству одновременно переплавляемых в один кристаллизатор электродов различают одно-, двух-, трех- и многоэлектродные печи. Количество и форма переплавляемых электродов определяются условиями производства и электрической схемой ЭШП. Наиболее широкое применение имеют одноэлектродные однофазные печи.
Существующие ЭШП имеют две модификации. По одной из них переплав осуществляется в неподвижном глухом кристаллизаторе. По другой схеме кристаллизатор перемещается в процессе переплава относительно переплавляемого слитка или слиток перемещается относительно неподвижного кристаллизатора (вытягивается). Для осуществления технологических операций ЭШП могут снабжаться четырьмя приводами перемещения: электрода; кристаллизатора; поддона и тележки поддона для выгрузки слитка.
В процессе переплава в печи ЭШП можно выделить основной и вспомогательный периоды. В течение основного периода плавки производится наплавление слитка, включающий в себя переплав металла и вывод усадочной раковины. Для вывода раковины в конце плавки вводимую в ванну мощность постепенно снижают. Длительность периода переплава зависит от химического состава переплавляемого металла и шлака, а также от размера слитка.
В течение вспомогательного периода производят подготовку печи к плавке и наведение жидкого шлака в кристаллизаторе. При этом производят следующие операции: охлаждение слитка в кристаллизаторе после предыдущей плавки; выгрузку слитка и застывшего шлака из печи, снятие огарков электрода и установка новых электродов в электродержатель, чистку кристаллизатора и поддона, окончательную сборку и подготовку печи к следующему циклу.
После окончания подготовительного периода приступают к наведению шлаковой ванны в кристаллизаторе. На установках ЭШП применяют твердый и жидкий старты процесса. При твердом старте шлак расплавляют непосредственно в кристаллизаторе печи с помощью расходуемого электрода и запальных смесей. При жидком старте предварительно расплавляют шлак в специальных печах, после чего его заливают в кристаллизатор.
Электрошлаковая сварка. Она широко применяется в промышленности при соединении металлоконструкций большой толщины (от 50 мм и выше) из стали, чугуна, меди, алюминия, титана и их сплавов. В качестве тепловыделяющего элемента используются расплавленные шлаки, нагревающиеся до заданной температуры при прохождении по ним переменного тока. Принципиальная схема ЭШС показана на рис.1.13.
|
|
|
Рис. 1.13. Схема ЭШС
Электрод 4 и части свариваемого металла 2 включаются в электрическую цепь через шлак 1, нагреваемый проходящим током выше температуры плавления свариваемого электродного металла. В результате электродный и свариваемый металл стыкуемых кромок расплавляются и стекают на дно сварочной ванны 5, заполняя сварочный шов. Боковые стороны шва закрываются водоохлаждаемыми башмаками (ползунами) 3, которые перемещаются снизу вверх в процессе сварки. ЭШС осуществляется автоматами и полуавтоматами, подающими электронную проволоку, дозирующими флюс, перемещающие формирующие башмаки со скоростью сварки. Они имеют соответствующую аппаратуру управления. Для ЭШС применяют специальные источники электрической энергии, которые имеют вторичное напряжение 8-63 В с различной крутизной внешней характеристики от крутопадающей до жесткой.
|
|
|
