Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ВВЕДЕНИЕ. В дуговых электрических печах превращение электрической энер­гии в тепло происходит в основном в электрическом разряде




 

 

В дуговых электрических печах превращение электрической энер­гии в тепло происходит в основном в электрическом разряде, протека­ющем в газовой или паровой среде. В таком разряде можно сосредото­чить в сравнительно небольших объ­емах очень большие мощности и по­лучить очень высокие температуры. При этом в камере печи возникают резкие температурные перепады, и поэтому в ней невозможно получить равномерное распределение темпе­ратуры и достичь равномерного на­грева материалов или изделий. По этой же причине здесь затрудни­тельно обеспечить точное регулиро­вание температуры нагрева и, сле­довательно, проводить термическую обработку. Для плавки же материа­лов, в особенности металлов, дуго­вая печь очень удобна, так как вы­сокая концентрация энергии позво­ляет быстро проводить расплавле­ние. Дуговые устройства удобны также для проведения высокотемпе­ратурных химических реакций в жидкой или газовой фазе и подогре­ва газа. Во всех этих случаях не­равномерность нагрева не играет роли, так как благодаря теплопро­водности и конвекции в жидкой ван­не или газовом потоке температура довольно быстро выравнивается [1 - 19].

Кроме собственно дуговых печей, в которых практически все тепло выделяется в электрическом разряде, существуют печи смешанного действия, в которых обрабатывают­ся материалы со значительным удельным электрическим сопротив­лением, благодаря чему в них выде­ляется джоулево тепло. Такие печи можно назвать дуговыми печами со­противления. Соотношение количе­ства энергии, выделяемой в элект­рическом разряде и в виде джоулева тепла, может изменяться в зави­симости от технологического про­цесса в широких пределах, и в пе­чах прямого нагрева (в частности, в печах для электрошлакового пере­плава) оно может стать равным ну­лю. Такие печи являются по сущест­ву печами сопротивления, но по кон­струкции и по использованию они ближе к дуговым печам, и их удоб­нее рассматривать совместно.

Кроме того, с дуговыми печами целесообразно изучать и электрон­но-лучевые установки, хотя принцип действия их существенно иной.

Таким образом, классификацию дуговых электротермических устано­вок можно представить в виде схе­мы на рис. 1 и разделить их на следующие группы:

1. Дуговые печи прямого дейст­вия: дуга горит между электродами и расплавляемым металлом, непосредственно нагревая металл (рис. 2, а). Очаг высокой темпера­туры (дуга) находится около по­верхности металла, испарение ме­талла велико, особенно для метал­лов с низкой температурой испаре­ния. Благодаря экранирующему действию электродов свод печи ча­стично защищен от непосредственного излучения дуг, поэтому здесь допустимы очень большие объемные мощности и можно проводить высо­котемпературные процессы.



 

 

 


Рис. 1. Классификация установок электродугового нагрева


 
 


  Рис. 2. Схемы дуговых печей различных типов: а — дуговая сталеплавильная печь прямого действия: 1 — электрод; 2 — футеровка; 3 — рабочая двер­ца; 4 — летка для выпуска жидкой стали; 5 — жидкая ванна; 6 — механизм наклона; 7 — электрододержатели; б — вакуумная дуговая печь: 1 — расплавляемый электрод; 2 — вакуумная камера; 3 — меха­низм перемещения электрода; 4 — кристаллизатор; 5 — жидкая ванна; в — дуговая печь косвенного действия для плавления цветных металлов: 1 — электроды; 2 — футеровка; 3 — жидкий металл; 4 — механизм наклона; 5 — электрододержатель; г — дуговая печь сопротивления: 1— электрод; 2 — шихта в печи; 3 — расплав; 4 — футеровка печи; 5 — летка; 6 - газовая полость, в которой горит дуга; 7— электрододержатель; 8 — вытяжной колпак; 9 — загрузка; д — печь для получения карборунда: 1 — керн; 2 — электроды; 3 — футеровка печи; 4 — гарниссаж; е — печь электрошлакового переплава: 1 — расходуе­мый электрод; 2 — кристаллизатор; 3 — слиток; 4 — жидкая металлическая ванна; 5 — шлаковая ванна; ж — дуговой плазмотрон: 1 — охлаждаемый водой корпус; 2 — изоляционная вставка; 3 — катод; 4 — впуск газа; 5 — дуга; 6 — струя плазмы; з — высокочастотный безэлектродный плазменный разряд: 1 — кварцевая труба; 2 — индуктор; 3 — зона разряда; и — электронно-лучевая установка с кольцевым като­дом: 1 — расплавляемый электрод-анод; 2 — вакуумная камера; 3 — вольфрамовый катод; 4 — жидкая ванна; 5 — кристаллизатор; к — электронно-лучевая установка с аксиальной пушкой: 1 — расплавляемая заготовка; 2 — вакуумная камера; 3 — кристаллизатор; 4 — вспомогательный катод; 5 — основной катод; 6 — анод; 7 — фокусирующая луч электромагнитная линза; 8 — жидкая ванна

Элект­роды в таких печах подвешены вер­тикально; следовательно, они рабо­тают в основном на растяжение и лишь при наклоне печи — на из­гиб. Поэтому здесь можно приме­нять сравнительно длинные графи­товые электроды большого сечения, допускающие значительные рабочие токи. Дуговые печи могут быть весь­ма мощными и производительными и работать на трехфазном токе.

Итак, дуговые печи прямого дей­ствия — это крупные, мощные (де­сятки мегавольт-ампер) трехфазные печи, предназначенные для плавления металлов с высокой температурой испарения; в основ­ном это сталеплавильные печи (ДСП). Благодаря технологическим преимуществам в печах этого типа выплавляются в виде слитков почти все специальные высоколегированные стали, а в последнее время так­же и многие конструкционные ста­ли. Кроме того, в них выплавляют большую часть стального фасонно­го литья.

В последнее время появились вакуумные дуговые печи (ВДП) (рис. 2, б), которые также являют­ся дуговыми печами прямого дейст­вия. В них дуга постоянного тока горит в парах переплавляемого ме­талла при низком давлении между расходуемым электродом (расплав­ляемый металл) и жидкой ванной. Камера печи не имеет футеровки; стенки ее (кристаллизатор; тигель гарниссажной печи) охлаждаются водой; электрод — металлический, вертикальный, в нем можно допу­стить большие плотности тока и про­водить в печи наиболее высокотем­пературные процессы (плавка туго­плавких металлов — молибдена, вольфрама, ниобия, тантала). Кро­ме того, в ВДП производят вторич­ный переплав стали (стальных электродов) для существенного улучшения ее качества.

2. Дуговые печи косвенного действия: дуга горит между электродами, а расплавляемому металлу тепло от дуги передается излучением (иногда также конвекцией и теплопроводностью) (рис. 2, в). Здесь очаг высокой температуры (дуга) находится на некотором расстоянии от поверхности металла, поэтому угар и испарение металла намного меньше, чем в дуговых печах пря­мого действия. Поэтому здесь можно плавить металлы и сплавы с низкой температурой испарения, например цветные металлы и даже спла­вы, содержащие цинк (латуни). Графитированные электроды располо­жены горизонтально или наклонно и не экранируют футеровку от излу­чения дуги. Более половины тепла, излучаемого дугой, сначала попада­ет на стенки печи и, отразившись от них, достигает расплавляемого ме­талла. Поэтому кладка находится в очень тяжелых условиях, и в таких печах невозможно проводить про­цессы, требующие больших объем­ных мощностей и высоких темпера­тур. Электроды работают на изгиб; это ограничивает их длину и мак­симальный диаметр, а следователь­но, и размеры печи, ее рабочий ток и максимальную мощность.

Итак, дуговые печи косвенного действия — небольшие (до 500–600 кВ·А), обычно однофазные пе­чи, служащие для плавления метал­лов с температурой плавления не выше 1300–1400°С, — в основном печи для плавления цветных метал­лов. В них переплавляют с целью рафинирования и для фасонного литья медь и ее сплавы — бронзы, латуни и т. п. и другие цветные ме­таллы, а также чугун для фасонно­го литья в небольших литейных це­хах.

К дуговым печам косвенного действия можно отнести также ду­говые плазменные установки и дуго­вые нагреватели газов. В этих уста­новках дуга горит между электрода­ми в потоке газа, нагревая его (рис. 2, ж). Нагретый газ может быть использован для испытатель­ных целей, а также для проведения химических или металлургических процессов. В последнем случае од­ним из электродов может быть рас­плавляемый металл, т.е. речь будет идти о дуговой печи прямого дейст­вия. Обрабатываемый материал мо­жет вводиться и непосредственно в зону дуги (например, в установках для плазменного напыления).

Генераторы плазмы (плазмотро­ны) выполняют со стержневыми, трубчатыми или кольцевыми электродами, обычно охлаждаемыми во­дой. Они могут работать при раз­личных давлениях газа в дуговой камере вплоть до грубого вакуума (выхлоп в вакуумную камеру). Ха­рактерным является сжатие дуги по оси газовой струи (газовая ста­билизация),что обусловливает рез­кое увеличение температуры в ка­нале дуги и в плазменной струе (до 10 000–15 000°С и выше). В некото­рых случаях стабилизация дуги осу­ществляется магнитным полем.

Плазменный разряд может быть получен и на высоких частотах в ионизированной струе газа, проте­кающей в высокочастотном магнит­ном поле (рис. 2, з). Однако, по­скольку такой разряд не требует электродов, его следует отнести к области индукционного нагрева.

3. Дуговые печи сопротивления: электрическая дуга горит в газовой полости внутри расплавляемой ших­ты, включенной последовательно или параллельно с дугой (рис. 2, г). Так как сопротивление шихты зна­чительно, выделяемое в ней джоулево тепло может быть большим. В таких печах очаг высокой темпе­ратуры (дуга или околоэлектрод­ная зона высоких плотностей тока) находится внутри шихты, и печи пригодны для расплавления матери­алов с высокой температурой испа­рения или для возгонки материалов. Кладка печи защищена от излуче­ния дуг слоем непрореагировавшей шихты (гарниссаж), внутри которой и горят дуги. Поэтому здесь можно проводить процессы с высокой рабо­чей температурой, характерной для восстановительных руднотермических процессов. Печи этого типа, как правило, не наклоняются (вы­пуск через летку), поэтому электро­ды в них вертикальные, выполнены из менее прочного материала и сравнительно больших размеров, что позволяет работать при очень большом токе и на большой мощ­ности.

Итак, дуговые печи сопротивле­ния — это мощные рудовосстановительные и рудоплавильные печи (РВП), в которых плавят материа­лы с высоким удельным сопротивле­нием. Таковы печи для получения ферросплавов, карбида кальция, чу­гуна, никелевого штейна, абразивов, фосфора. К ним примыкают также печи прямого нагрева (дуга в них отсутствует) для обработки некото­рых шлаков и получения абразивов (рис. 2, д), а также установки электрошла­кового переплава (ЭШП). В таких установках (рис. 2, е) осуществля­ют в целях рафинирования переплав электродов из специальных сталей, полученных в других печах, напри­мер в ДСП. Расплавление электро­да ведется в жидком шлаке, нагре­том джоулевым теплом от протека­ющего через него рабочего тока. Наплавляемый слиток формируется в охлаждаемом водой кристаллиза­торе.

 

4. Электронно-лучевые установ­ки: в этих установках образованный в глубоком вакууме мощный пучок электронов, ускоренных в электри­ческом поле (электронный луч), бомбардирует нагреваемый матери­ал и разогревает его или расплавля­ет. Источником электронного пучка могут служить кольцевой катод (рис. 2, и, з), радиальные или акси­альные пушки (рис. 2, к). Установ­ки применяются для выплавления слитков, литья и спекания, зонной очистки и разных видов термообра­ботки активных жаропрочных мате­риалов и полупроводников.

Если в ДСП и РВП металл вы­плавляется из шихты или руды, то в таких печах, как ВДП, печи ЭШП и электронно-лучевые, исходным сырьем является электрод, уже по­лученный в результате плавления металла в другой печи и переплав­ляемый вторично в целях более пол­ной очистки металла. Такие пере­плавные печи обычно выделяют из дуговых печей в установки спец­нагрева; к ним же относят и плазменно-дуговые установки.

 







Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 1105. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.003 сек.) русская версия | украинская версия